許高斌, 楊海洋, 王超超, 馬淵明, 陳 興

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230601)

外部環(huán)境的振動(dòng)對(duì)MEMS器件的性能有著非常重大的影響,是造成MEMS器件產(chǎn)生輸出誤差甚至失效的主要因素。由于大多數(shù)MEMS器件的輸出依賴于其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)中的動(dòng)態(tài)位移或應(yīng)力的測量,外部環(huán)境的振動(dòng)會(huì)引起內(nèi)部敏感結(jié)構(gòu)的位移或應(yīng)變從而產(chǎn)生不可預(yù)測的輸出誤差，輸出誤差可分為以下3種:

(1) 零位偏移。當(dāng)沒有任何傳感測量輸入時(shí)MEMS器件對(duì)于外部環(huán)境振動(dòng)產(chǎn)生響應(yīng)從而產(chǎn)生的輸出為零位偏移。文獻(xiàn)[1]測試了MEMS加速度計(jì)在振動(dòng)臺(tái)面上的輸出特性,測試結(jié)果表明，當(dāng)隨機(jī)振動(dòng)為10.6g時(shí),其加速度計(jì)的零偏量值高達(dá)0.9g。一種商用MEMS陀螺儀(LPY 510AL)在14g的振動(dòng)環(huán)境下其零位偏移變化為14%～19%,且由于振動(dòng)其輸出信號(hào)十分飽和，很難分離噪聲[2]。

(2) 靈敏度變化(刻度因子變化)。在傳感測量輸入的條件下,外部環(huán)境振動(dòng)引發(fā)傳感器內(nèi)部敏感結(jié)構(gòu)振動(dòng)從而使靈敏度發(fā)生改變。例如，在10g振動(dòng)下薄膜壓電式壓力傳感器發(fā)生了顯著的靈敏度變化(10%～12%)[3],MEMS 陀螺儀隨著振動(dòng)強(qiáng)度與振動(dòng)時(shí)間的增加其刻度因子顯著降低[2]。

(3) MEMS器件結(jié)構(gòu)損壞。長期的環(huán)境振動(dòng)造成器件內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致疲勞失效的產(chǎn)生，同時(shí)在較大振動(dòng)應(yīng)力下,還會(huì)引發(fā)鍵合引線的脫落或梁的斷裂，造成MEMS器件失效[4]。

輸出誤差對(duì)高Q值高諧振MEMS器件如陀螺儀、諧振式傳感器的影響尤其大,因?yàn)槠鋬?nèi)部低阻尼會(huì)放大誤差在諧振頻率帶寬處的影響[5],且由于誤差的不可預(yù)測性從而很難進(jìn)行電子補(bǔ)償。因此對(duì)MEMS器件隔振的研究對(duì)于提高M(jìn)EMS器件的性能與可靠性具有重要意義。

目前MEMS器件的隔振一般采用將MEMS器件及其他電子元件的組件共同外置“大尺寸”的隔振平臺(tái)或者阻尼器進(jìn)行隔振,然而這種系統(tǒng)級(jí)的隔振方法會(huì)增大隔振平臺(tái)質(zhì)量及尺寸[6-7]。這種限制可以通過采用微結(jié)構(gòu)化的隔振平臺(tái)與MEMS器件集成來解決,即“圓片級(jí)的隔振平臺(tái)”。從隔振的工作原理看,隔振可分為被動(dòng)隔振與主動(dòng)隔振,被動(dòng)隔振一般采用附加子系統(tǒng)(彈簧和阻尼器)將振源與需隔振的結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)隔離,以減小結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的振動(dòng),具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、不依賴電源、不消耗附加能量等特點(diǎn)；主動(dòng)隔振是指采用由致動(dòng)器和控制器組成的控制系統(tǒng)(通常為閉環(huán)控制)以抑制結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的振動(dòng),它在復(fù)合激勵(lì)環(huán)境下具有較強(qiáng)的抗干擾能力,具有很高的隔振精度。然而主動(dòng)隔振往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝上難以實(shí)現(xiàn),需要額外的供電、會(huì)增加器件的功耗[8],且控制系統(tǒng)中的引線或金屬薄膜及電容由于耦合效應(yīng)存在會(huì)造成輸出誤差。

本文采用質(zhì)量-彈簧-阻尼結(jié)構(gòu)的被動(dòng)隔振系統(tǒng)。通過理論分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)隔振性能及集成隔振平臺(tái)對(duì)MEMS陀螺儀性能的影響,確立隔振平臺(tái)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則;設(shè)計(jì)了一種用于MEMS陀螺儀的單層及雙層隔振結(jié)構(gòu)及其制備工藝流程,通過ANSYS仿真驗(yàn)證隔振平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性及合理性。

1 理論分析與設(shè)計(jì)

1.1 理論模型

集成和未集成MEMS器件的隔振平臺(tái)示意圖如圖1所示。

圖1中:(md,kd,cd)、(m1,k1,c1)、(m2,k2,c2)分別為MEMS器件、第1層隔振平臺(tái)及第2層隔振平臺(tái)的質(zhì)量、彈簧剛度及阻尼系數(shù);xd、x1、x2分別為Kd、K1、K2等彈簧位移;yd、y1、y2分別為md、m1、m2的絕對(duì)位移。

圖1 集成和未集成MEMS器件的隔振平臺(tái)示意圖

圖1a所示為單層隔振平臺(tái)及集成MEMS器件的單層隔振平臺(tái),在簡諧激勵(lì)y0下單層隔振平臺(tái)的傳遞率[9]可以表示為:

(1)

其中:Y1、Y0分別為y1、y0的振幅;r為外界激勵(lì)頻率w與系統(tǒng)固有頻率w1之比,r=w/w1;ζ為阻尼比,ζ=c1/(2m1w1)。

圖1a中集成了MEMS器件的單層隔振平臺(tái),其動(dòng)力學(xué)控制方程[10-11]為:

(2)

對(duì)(2)式進(jìn)行拉普拉斯變換可得:

(3)

由(3)式可得:

xd/x0=(-mdc1s3-k1mds2)/[mdm1s4+

(mdcd+mdc1+m1cd)s3+(mdkd+mdk1+

m1kd+cdc1)s2+(cdk1+c1kd)s+kdk1]

(4)

其中:Xd、X1、X0分別為xd、x1、x0的拉普拉斯變換;s=jw。

圖1b所示為集成了MEMS器件的雙層隔振平臺(tái),其動(dòng)力學(xué)控制方程可表示為:

(5)

對(duì)(5)式進(jìn)行拉普拉斯變換可得:

(6)

傳遞率是衡量隔振系統(tǒng)隔振性能的一個(gè)重要指標(biāo),它用于衡量外界環(huán)境振動(dòng)通過隔振平臺(tái)傳遞到MEMS器件的程度[12]。本文傳遞率定義為MEMS器件中彈簧位移xd與外界環(huán)境振動(dòng)位移x0之比,即xd/x0。

本文以文獻(xiàn)[13]中的陀螺儀作為示例進(jìn)行隔振,示例陀螺儀諧振頻率為6.8 kHz,Q值約為8 500。

集成單、雙層隔振平臺(tái)及不同諧振頻率下的單層隔振平臺(tái)陀螺儀傳遞率曲線如圖2所示。

圖2a所示為示例陀螺儀、集成單層隔振平臺(tái)陀螺儀及集成雙層隔振平臺(tái)陀螺儀在頻率響應(yīng)下的傳遞率曲線。圖2b所示為集成不同諧振頻率下的單層隔振平臺(tái)的陀螺儀在頻率響應(yīng)下的傳遞率曲線。由圖2a可知,雙層隔振平臺(tái)比單層隔振平臺(tái)傳遞率低,同時(shí)隔振平臺(tái)的諧振頻率越低,其傳遞率越低,即隔振效果越好。由圖2b可知,集成隔振平臺(tái)后陀螺儀的諧振頻率發(fā)生了偏移,但集成雙層隔振平臺(tái)陀螺儀與集成單層隔振平臺(tái)陀螺儀的諧振頻率幾乎一致,同時(shí)單層隔振平臺(tái)的諧振頻率越低,其頻率偏移值越小。

1.2 MEMS陀螺儀隔振平臺(tái)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

隔振平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是在減小隔振系統(tǒng)的傳遞率同時(shí)最小化集成隔振平臺(tái)對(duì)MEMS陀螺儀的影響。集成隔振平臺(tái)將從2個(gè)方面影響器件性能:① 集成隔振平臺(tái)導(dǎo)致MEMS陀螺儀諧振頻率的改變;② 集成隔振平臺(tái)會(huì)降低MEMS陀螺儀的Q值。

表明集成隔振平臺(tái)對(duì)MEMS陀螺儀諧振頻率改變的公式為:

(7)

其中,Wd,0、W1,0分別為MEMS陀螺儀與單層隔振平臺(tái)的諧振頻率。

集成隔振平臺(tái)后的MEMS陀螺儀與隔振平臺(tái)的諧振頻率可表示為:

(8)

其中,Wd,n、W1,n分別為集成隔振平臺(tái)后MEMS陀羅儀與單層隔振平臺(tái)的諧振頻率。

在(8)式中S被定義為:

(9)

當(dāng)

(10)

(8)式可簡化為:

(11)

由(11)式可得,當(dāng)滿足(10)式時(shí),MEMS陀螺儀與單層隔振平臺(tái)的諧振頻率在集成前后沒有發(fā)生改變。為滿足(10)式應(yīng)盡可能增大m1的質(zhì)量,這也解釋了在圖2a中為什么集成MEMS陀螺儀的單層隔振平臺(tái)與集成MEMS陀螺儀的雙層隔振平臺(tái)的諧振頻率幾乎一致,因?yàn)樵谝陨细粽衿脚_(tái)，其m1的質(zhì)量是相同的。

不同m1/md比值下陀螺儀諧振頻率的偏移值(集成隔振平臺(tái)的陀螺儀諧振頻率與未集成隔振平臺(tái)陀螺儀諧振頻率之間的差值)如圖3所示,從圖3可以看出,隨著比值的增大，其諧振頻率偏移值減小，即m1的質(zhì)量越大，集成隔振平臺(tái)對(duì)MEMS陀螺儀諧振頻率的改變?cè)叫　?/p>

圖3 不同m1/md比值下陀螺儀諧振頻率偏移值

集成隔振平臺(tái)對(duì)MEMS陀螺儀的另一個(gè)不利影響是:若隔振平臺(tái)的Q值不夠高,則會(huì)產(chǎn)生較高的能量損耗,導(dǎo)致MEMS陀螺儀的Q值降低,從而降低MEMS陀螺儀的性能。影響Q值變化的關(guān)鍵參數(shù)及集成隔振平臺(tái)后Q值的計(jì)算公式[14]為：

(12)

其中,Qd、Q1分別為MEMS陀螺儀與隔振平臺(tái)的Q值。根據(jù)(6)式、(7)式、(15)式可得出MEMS陀螺儀及集成隔振平臺(tái)MEMS陀螺儀的傳遞率曲線，如圖4所示。

圖4 集成隔振平臺(tái)后Δf0及Qd,a的計(jì)算

根據(jù)圖4得到集成隔振平臺(tái)的MEMS陀螺儀Q值(Qd,a)的計(jì)算公式為:

(13)

由圖4、(13)式可求出隔振平臺(tái)的Q1值對(duì)MEMS陀螺儀Qd值的影響。

不同Q1值與當(dāng)Q1值不變時(shí)，不同m1/md比值下集成隔振平臺(tái)的陀螺儀Qd,a值與陀螺儀Qd的比值關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知,當(dāng)隔振平臺(tái)的Q1值越大，Qd,a與Qd的比值百分比越大，即隔振平臺(tái)的Q1值對(duì)MEMS陀螺儀Qd值的影響越小;當(dāng)Q1值一定時(shí),隨著m1/md比值的增大,Qd,a與Qd的比值百分比越大,即隔振平臺(tái)m1的質(zhì)量越大,隔振平臺(tái)的Q1值對(duì)MEMS陀螺儀Qd值的影響越小。

圖5 隔振平臺(tái)Q值及其m1/md對(duì)MEMS陀螺儀Q值的影響

綜上所述,可以得到以下結(jié)論:

(1) 集成隔振平臺(tái)可有效隔離外界環(huán)境振動(dòng),且集成雙層隔振平臺(tái)比集成單層隔振平臺(tái)的隔振效果好,單層隔振平臺(tái)的諧振頻率越低,其傳遞率越低,即隔振效果越好。

(2) 集成隔振平臺(tái)會(huì)改變MEMS陀螺儀的諧振頻率,當(dāng)m1質(zhì)量足夠大時(shí),集成雙層隔振平臺(tái)與集成單層隔振平臺(tái)陀螺儀的諧振頻率幾乎一致。

(3) 增大隔振平臺(tái)m1的質(zhì)量可降低陀螺儀諧振頻率的偏移值(集成單層隔振平臺(tái)的陀螺儀諧振頻率與未集成隔振平臺(tái)陀螺儀諧振頻率之間的差值)

(4) 隔振平臺(tái)Q1值越大對(duì)MEMS陀螺儀Qd值影響越小,但對(duì)于Q1值一定的隔振平臺(tái),可通過增大隔振平臺(tái)m1的質(zhì)量,減少對(duì)MEMS陀螺儀Qd值的影響。

通過增大隔振平臺(tái)m1的質(zhì)量可以得到如下3點(diǎn):① 降低隔振平臺(tái)的諧振頻率,從而降低傳遞率,提高隔振效果;② 降低MEMS陀螺儀諧振頻率的偏移值,可最小化集成隔振平臺(tái)對(duì)MEMS陀螺儀諧振頻率的影響;③ 對(duì)于Q1一定的隔振平臺(tái),增大m1的質(zhì)量可減少隔振平臺(tái)對(duì)MEMS陀螺儀Qd值的影響。

2 隔振平臺(tái)的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)

2.1 隔振平臺(tái)的設(shè)計(jì)

由上文研究可知,隔振平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)降低隔振平臺(tái)的諧振頻率及增大隔振平臺(tái)m1的質(zhì)量。MEMS陀螺儀集成隔振平臺(tái)的示意圖如圖6所示。

圖6 集成單層及雙層隔振平臺(tái)MEMS陀螺儀示意圖

隔振平臺(tái)結(jié)構(gòu)包含隔振平臺(tái)、隔振梁、金屬過渡層、硅基底。其中隔振平臺(tái)質(zhì)量是指與陀螺儀質(zhì)量直接相連的其他質(zhì)量塊質(zhì)量(圖1b)。隔振平臺(tái)由玻璃基片與底層硅鍵合制作而成,示例MEMS陀螺儀采用SOG(silicon-on-glass)工藝制備而成,TGV通孔引線用于陀螺儀電學(xué)信號(hào)的引出。隔振梁位于器件封裝的外部,通過金屬過渡層與硅基底上的凸臺(tái)共晶鍵合。采用以上設(shè)計(jì)不僅可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)置隔振平臺(tái)的圓片級(jí)封裝,還可以實(shí)現(xiàn)隔振平臺(tái)的級(jí)聯(lián),從而實(shí)現(xiàn)雙層隔振,大大抑制外界環(huán)境振動(dòng),同時(shí)由于玻璃具有較低的導(dǎo)熱系數(shù),還可實(shí)現(xiàn)外部熱隔離,從而降低外界溫度對(duì)MEMS陀螺儀的影響。雙層隔振平臺(tái)可采用單層隔振平臺(tái)的制造工藝,將第1層與第2層隔振梁集成在單個(gè)硅片上制作。

隔振平臺(tái)的質(zhì)量遠(yuǎn)大于陀螺儀質(zhì)量,因此在降低隔振平臺(tái)諧振頻率、提高隔振效果的同時(shí)，使集成隔振平臺(tái)對(duì)MEMS陀螺儀性能的影響最小化。集成隔振平臺(tái)從諧振頻率與Q值2個(gè)方面對(duì)MEMS陀螺儀性能造成一定影響,采用文獻(xiàn)[13]中的陀螺儀(諧振頻率為6.8 kHz,Q值約為8 500)作為示例進(jìn)行隔振,采用如圖6所示的隔振平臺(tái)，通過上文的理論與公式分析可得，集成隔振平臺(tái)MEMS陀螺儀諧振頻率的偏移值約為12 Hz,當(dāng)采用較小Q值的隔振平臺(tái)時(shí),集成隔振平臺(tái)MEMS陀螺儀的Q值最大降低了約3.2%,因此集成隔振平臺(tái)對(duì)MEMS陀螺儀諧振頻率影響較小,同時(shí)采用較大Q值的隔振平臺(tái)，繼續(xù)增大MEMS陀螺儀的Q值從而優(yōu)化其性能。

2.2 隔振平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出單層與雙層隔振平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 單層及雙層隔振平臺(tái)結(jié)構(gòu)

第1層與第2層隔振梁均采用L型梁,L型梁能在較小的空間內(nèi)加工出較長的梁,因而可以在減小隔振平臺(tái)面積的同時(shí)降低其諧振頻率[15-16]。

隔振梁的尺寸參數(shù)見表1、表2所列,單層隔振平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)尺寸為8.15 mm×8.15 mm×1.00 mm,雙層隔振平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)尺寸為10.51 mm×10.51 mm×1.00 mm。

表1 單層隔振平臺(tái)隔振梁尺寸 單位:mm

表2 雙層隔振平臺(tái)隔振梁尺寸 單位:mm

由上述理論分析研究可知，隔振平臺(tái)的諧振頻率越低,其隔振效果越好。單層與雙層隔振平臺(tái)ANSYS模態(tài)與結(jié)構(gòu)靜力仿真[17]如圖8所示。

從仿真結(jié)果可以看出:單層隔振平臺(tái)與雙層隔振平臺(tái)的諧振頻率分別為569.11、407.24 Hz,遠(yuǎn)小于MEMS陀螺儀的諧振頻率,因此可以實(shí)現(xiàn)更高頻率的振動(dòng)隔離;單層隔振平臺(tái)與雙層隔振平臺(tái)所受的最大應(yīng)力分別為 1.896、1.080 MPa,最大位移分別為0.778、1.546 μm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于硅的斷裂應(yīng)力(0.8～1.0 GPa)及上層硅與硅基底之間的間距(350 μm)。因此由仿真結(jié)果可知,此隔振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理且可靠的。

3 隔振平臺(tái)制備工藝流程

在隔振平臺(tái)制備過程中將用到如下材料:P型(100)雙面拋光硅片、pyrex 7740玻璃基片、P型(100)襯底硅片各1片。其中雙面拋光硅片電阻率為0.01 Ω·cm,P型襯底硅的電阻率為10～20 Ω·cm。以上所用的硅片與玻璃晶片均為500 μm厚。

制備工藝流程如下:

(1) 取與MEMS陀螺儀相同長寬的玻璃基片與雙面拋光的硅片進(jìn)行陽極鍵合。

(2) 對(duì)鍵合后硅片背面熱氧化生長1層1.0～1.2 μm的氧化硅層,并采用LPCVD工藝在硅背面淀積1層0.1 μm厚的氮化硅薄膜。

(3) 在硅片背面旋涂光刻膠,利用掩模版光刻刻蝕背面凹槽區(qū)域,顯影后烘干,然后采用等離子體刻蝕技術(shù)刻蝕凹槽區(qū)域內(nèi)的氧化硅與氮化硅。

(4) 利用氧化硅、氮化硅薄膜作為掩蔽層,采用KOH腐蝕液腐蝕硅,刻蝕出深度為350 μm的凹槽。

(5) 對(duì)刻蝕后的硅片進(jìn)行等離子體刻蝕,刻蝕掉硅片背面凹槽兩側(cè)氮化硅與氧化硅薄膜。

(6) 取1片P型襯底硅片,采用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在硅襯底上刻蝕出3～4 μm的凸臺(tái)。

(7) 將刻蝕后的襯底用去離子水清洗,在凸臺(tái)上表面依次濺射40 nm鈦(Ti)、400 nm金(Au)等金屬薄膜。

(8) 將襯底凸臺(tái)與第1層L型隔振梁端面對(duì)準(zhǔn)并貼合在一起后放入鍵合機(jī)中進(jìn)行鍵合。

(9) 對(duì)上層硅片正面噴涂光刻膠,利用掩模版對(duì)光刻膠進(jìn)行光刻,顯影后烘干，然后采用DRIE刻蝕技術(shù)刻蝕掉多余的質(zhì)量塊，完成隔振梁的制備。

工藝完成后隔振結(jié)構(gòu)的剖面圖如圖9所示。

圖9 工藝完成后隔振結(jié)構(gòu)的剖面圖

本文給出了單層隔振平臺(tái)的制備流程，對(duì)于雙層隔振平臺(tái)的制備，只需在步驟(3)刻蝕第1層隔振梁后在底層硅刻蝕出第2層隔振梁即可。MEMS陀螺儀與隔振平臺(tái)之間可采用環(huán)氧樹脂或成熟的BCB(benzo-cyclo-butene)鍵合工藝實(shí)現(xiàn)MEMS陀螺儀與隔振平臺(tái)的黏結(jié)鍵合。

4 結(jié) 論

本文提出了一種用于MEMS陀螺儀或其他高諧振MEMS器件的單層及雙層隔振平臺(tái),通過理論模型及其公式分析表明，集成隔振平臺(tái)可有效隔離外界環(huán)境振動(dòng),且集成雙層隔振平臺(tái)比集成單層隔振平臺(tái)的隔振效果好。但集成隔振平臺(tái)在隔離外界環(huán)境振動(dòng)的同時(shí)對(duì)MEMS陀螺儀的性能造成了一定影響,通過公式分析發(fā)現(xiàn)，增大隔振平臺(tái)的質(zhì)量可在降低隔振平臺(tái)諧振頻率、提高隔振效果的同時(shí)，降低集成隔振平臺(tái)對(duì)MEMS陀螺儀的影響。

本文給出了MEMS陀螺儀隔振平臺(tái)及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對(duì)集成隔振平臺(tái)的示例MEMS陀螺儀進(jìn)行分析,表明集成隔振平臺(tái)的MEMS陀螺儀諧振頻率的偏移值約為12 Hz,Q值最大降低了約3.2%,因此集成隔振平臺(tái)對(duì)MEMS陀螺儀性能影響較小,同時(shí)采用較大Q值的隔振平臺(tái)可繼續(xù)增大MEMS陀螺儀的Q值從而優(yōu)化其性能。通過ANSYS對(duì)隔振結(jié)構(gòu)模態(tài)及靜力仿真分析表明，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理且可靠的。本文亦給出了隔振平臺(tái)的制備工藝流程,其中MEMS陀螺儀采用真空封裝并通過焊盤、通孔引線及其濺射在隔振平臺(tái)下表面的金屬引線與外部電路連接。采用文中給出的隔振平臺(tái)設(shè)計(jì)理念與結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)MEMS陀螺儀與隔振平臺(tái)的圓片級(jí)封裝,并可采用MEMS的加工工藝大批量生產(chǎn)，降低隔振成本。