蒲金飛，侯占強，虢曉雙，曾承志，肖定邦，吳學忠

（1. 國防科技大學 智能科學學院，長沙 410073；2. 湖南天羿領航科技有限公司，長沙 410100；3. 唐智科技湖南發(fā)展有限公司，長沙 410007）

微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems,MEMS）加速度計作為運動物體加速度測量的慣性器件，因具有成本低、體積小、功耗低、環(huán)境適應性強和可批量生產(chǎn)的特點，廣泛應用于航空航天、飛航導彈、制導彈藥、消費電子、健康監(jiān)測等軍用和民用等領域[1,2]。特別地，電容式加速度計因其結構、性能、加工等方面的優(yōu)勢一直都是加速度計領域重要研究對象[3]，原理上電容式加速度計依靠慣性力引起的敏感結構與檢測電極之間正對面積或間距變化來檢測外部加速度大小，但當環(huán)境溫度改變時，受器件敏感結構本身熱膨脹或者鍵合以及粘接等過程不同材料熱彈性系數(shù)不一致引入的熱應力等影響，造成結構變形引起非工作狀態(tài)檢測電容變化，會降低加速度計的檢測精度和性能。研究表明[4]，影響加速度計零偏、標度因數(shù)穩(wěn)定性等關鍵性能主要因素是環(huán)境溫度變化引起的熱應力對器件輸出的影響，所以良好的溫度穩(wěn)定性是實現(xiàn)高性能加速度計應用的基本保證，如何降低或消除溫度變化引起的熱應力也成為近年來加速度計性能提升研究的熱點之一。

應力釋放或者隔離結構是目前加速度計降低熱應力影響提高器件溫度穩(wěn)定性的主要方法之一。Hao Kang[5,6]等提出在諧振式加速度計的“E”形梁上增加應力釋放結構可以降低靈敏度溫度系數(shù)提高溫度穩(wěn)定性；李青松[7]提出在鍵合錨點和承載質量塊的主框架之間增加彈性梁式應力釋放結構，能夠降低質量塊與框架連接梁的應力幅同時減小連接梁因應力變化產(chǎn)生的剛度變化，提升溫度穩(wěn)定性；Hsieh-Shen Hsieh[8]基于壓電式三軸加速度計設計了一種在器件內部的“環(huán)狀”應力隔離結構，可以降低外部溫度、力/位移變化時造成的非敏感信號輸出；Yonggang Yin[9]提出了基于SOI工藝來改變敏感結構錨點數(shù)量和位置，提高結構對稱性以及熱應力作用下形變均勻性的諧振式加速度計熱應力隔離結構，以及改變敏感結構與玻璃基底鍵合區(qū)域連接形狀降低因材料熱彈性系數(shù)不同造成的熱應力對加速度計輸出的影響，該加速度計的溫變靈敏度為10 μg/°C，1 h零偏穩(wěn)定性可達0.7 μg；Jian Cui[10]在諧振式加速度計的軸對稱錨點上安裝應力隔離框，其敏感元素兩對雙端固支音叉設計在應力隔離框架形成“中”形的兩個“口”內，“中”形豎線兩端為與敏感質量塊相連的框架錨點，當溫度變化時，由于材料熱彈性不同引起的應力集中在“中”形豎線上保證敏感元素不受熱應力影響，在-40℃～40℃溫度區(qū)間下，其偏置熱靈敏度和補償穩(wěn)定性分別為0.42 mg/°C和0.6 mg。同時，還有學者研究了楊氏模量[11,12]與鍵合應力[9]對熱應力的貢獻大小并使用應力隔離結構提升溫度穩(wěn)定性，基于TSV封裝工藝的應力釋放槽設計并研究了不同維度模型、基底厚度、TSV半徑與材料、隔離槽結構參數(shù)等與熱應力大小的關系[13]，通過增加緩沖梁和隔離框的方式改變敏感結構形式降低敏感結構的熱應力水平提升器件的溫度穩(wěn)定性[14]等。

上述研究表明，應力釋放與隔離結構是提升加速度計溫度穩(wěn)定性的有效措施，相比溫度補償它能在原理上減小加速度計輸出的溫度系數(shù)。在這些研究的基礎上，本文以蝶翼式MEMS加速度計為研究對象，提出了一種在芯片級設計應力釋放結構減小諧振結構熱變形、封裝級增設應力隔離結構減小檢測電極熱變形的溫度穩(wěn)定性提升方法，降低溫度變化產(chǎn)生的熱應力對加速度計輸出的影響。

1 蝶翼式加速度計

蝶翼式加速度計屬于電容式加速度計，加速度檢測核心部分的MEMS結構包括敏感結構、電極基板和密封蓋帽，如圖1所示，敏感結構是敏感外部加速度信號核心構件；檢測電極在敏感結構正下方并與其構成檢測電容器；密封蓋帽是圓片級封裝的必要結構之一。

圖1 蝶翼式加速度計MEMS結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of MEMS structure of butterfly accelerometer

蝶翼式加速度敏感結構采用四質量塊反向扭擺全差分結構[15]，如圖2(a)所示，當外界存在加速度作用時，在慣性力的作用下，兩對非平衡質量塊繞敏感梁作反向扭擺運動，如圖2(b)所示，質量塊與其正下方檢測電極構成的電容器間隙發(fā)生變化，該變化正比于加速度的大小，利用ASIC中的C/V轉換技術可將電容變化量轉化為直觀的模擬量，實現(xiàn)加速度的檢測。

圖2 蝶翼式加速度計敏感單元結構及工作原理圖Fig.2 Structure and working principle diagram of sensitive unit of butterfly accelerometer

根據(jù)蝶翼式加速度計MEMS結構的工作原理可知，它可以等效為一個二階振動系統(tǒng)，質量塊通過敏感梁與外部固定部分相連，在外部有加速度輸入時，受彈性力、阻尼力及慣性力共同作用。那么其運動方程則可以表示為：

其中，J為非平衡質量塊的旋轉慣量，kΦ為扭轉剛度，cΦ為阻尼系數(shù)，a為敏感方向面外振動信號，Φ為懸臂梁的扭轉角度，MΦ為常量。

當扭轉角度Φ存在，即質量塊產(chǎn)生傾斜運動，此時質量塊與檢測電極之間構成的電容器極板間隙產(chǎn)生變化ΔC形成，那么加速度與扭轉角度、電容變化量之間關系如式(2)：

2 蝶翼式加速度計低應力結構設計與仿真分析

根據(jù)蝶翼式加速度計工作原理可知，敏感芯片輸出變化的表現(xiàn)形式為敏感單元質量塊與其正下方檢測電極之間間隙變化。當溫度變化時，敏感結構芯片本身的熱變形，以及與敏感芯片粘接的陶瓷基底因熱膨脹系數(shù)不同引起檢測電極的熱變形，成為影響蝶翼式加速度計溫度穩(wěn)定性的關鍵因素。

2.1 敏感梁應力釋放結構設計

敏感結構芯片本身的熱變形表現(xiàn)為敏感梁在溫度變化時材料的楊氏模量發(fā)生變化，改變了原有梁的剛度使其產(chǎn)生與溫度變化關聯(lián)的變形，這時非平衡質量塊敏感方向作扭轉運動，輸出漂移隨之產(chǎn)生。熱變形由材料本身的熱應力引起，本文在傳統(tǒng)蝶翼式加速度計“一”字形敏感梁的幾何中心處設計了籬柵構型應力釋放結構并與敏感梁成“十”字形，在溫度變化時可以通過“張開、壓縮”等動作降低敏感梁的應力水平，減少敏感梁在非加速度輸入下的變形產(chǎn)生的輸出誤差，提升加速度計溫度穩(wěn)定性。對蝶翼式加速度計敏感梁有無應力釋放結構進行仿真分析，如圖3所示。

圖3 敏感結構有無應力釋放結構不同溫度下熱應力大小對比圖Fig.3 Comparison diagram of thermal stress under different temperatures of sensitive structure with or without stress release structure

圖中仿真了敏感單元的應力水平，應力最大位置為錨點固定區(qū)。其中對于無應力釋放的敏感結構敏感梁端部上應力集中處的A、B兩點來說，-40℃時應力分別為16.6 MPa、15.9 MPa，60℃時分別為13.4 MPa、12.8 MPa，而有應力釋放的敏感梁同一位置的兩點在-40℃時應力值分別為0.051 MPa、0.049 MPa，60℃時分別為0.041 MPa、0.039 MPa，由數(shù)據(jù)可知，其應力水平只有原結構的0.3%左右，說明當外部環(huán)境溫度變化時，由于應力釋放結構的存在，加速度計敏感梁因溫度系數(shù)發(fā)生的無序扭轉將大幅減小，提高了加速度檢測單元的穩(wěn)定性，同時提升了器件的溫度穩(wěn)定性。

2.2 封裝應力隔離結構設計

應力釋放結構僅削弱了敏感單元對加速度計溫度穩(wěn)定性的影響，但在加速度計封裝過程中，由于加速度計敏感芯片、導電膠和陶瓷管殼的材料差異導致其熱彈性系數(shù)不匹配，當環(huán)境溫度變化時，這種熱彈性系數(shù)不同產(chǎn)生的熱應力會造成陶瓷管殼內的加速度計芯片彎曲，對于面外敏感的蝶翼式加速度計來說，這種彎曲會造成電極位置改變，導致非敏感信號輸出的漂移，使加速度計的長期輸出穩(wěn)定性受到影響。

為了降低加速度計因材料熱彈性系數(shù)不匹配對信號輸出穩(wěn)定性的影響，本文提出了在陶瓷基底與加速度計芯片之間增加應力隔離結構，使其由直接連接方式變?yōu)殚g接連接，切斷陶瓷基底與加速度計芯片之間應力傳遞路徑，降低封裝應力對加速度計輸出的影響。仿真分析了增加應力隔離結構前后加速度計的應力分布及大?。ǚ抡婺Ｐ褪÷詫щ娔z和ASIC芯片），如圖4所示。對于無應力隔離結構的加速度計，陶瓷基底與敏感芯片典型接觸點A在-40℃時應力值為61 MPa，60℃時為40.6 MPa，同時與陶瓷基板連接的敏感芯片檢測電極在溫度變化時產(chǎn)生明顯的彎曲；而增加了應力隔離結構的加速度計，其陶瓷基板、應力隔離結構、敏感芯片之間典型接觸點A′、B′在-40℃時應力值分別為9.03 MPa、0.1 MPa，60℃時分別為6 MPa、0.1 MPa。上述數(shù)據(jù)表明，相比敏感芯片檢測電極與陶瓷基板直接相連，增加應力隔離結構后，敏感芯片檢測電極的應力水平下降一個數(shù)量級，驗證了應力隔離結構能夠保證敏感電極在溫度變化時的結構穩(wěn)定性。

圖4 封裝有無應力隔離結構不同溫度下熱應力大小對比圖Fig.4 Comparison diagram of thermal stress under different temperatures with or without stress isolation structure

3 加工過程與性能測試

3.1 加工過程

增加了應力隔離結構的蝶翼式加速度計如圖5所示，由敏感芯片、ASIC芯片、應力隔離結構、陶瓷管殼構成。

圖5 蝶翼式加速度計理論模型Fig.5 Theoretical model of butterfly accelerometer

其中敏感芯片是敏感加速度的核心部件，決定了加速度計的極限性能；ASIC芯片可以測量敏感結構和固定電極之間的微弱電容變化，得到輸入加速度大小，并通過C/V轉換信號將加速度信號轉換成為模擬信號；應力隔離結構可以降低敏感結構與陶瓷管殼直接接觸時因熱彈性系數(shù)不同引起的熱應力水平；陶瓷封裝具備氣密性好、隔離度高等特點，能夠為加速度計提供物理防護和穩(wěn)定的工作環(huán)境。

MEMS加工工藝是加速度計由理論轉化為實物的橋梁，同時其質量與精度是保證加速度計發(fā)揮設計性能的關鍵因素。按照蝶翼式加速度計理論模型，其敏感芯片采用基于硅硅鍵合的體硅SOI工藝技術，實現(xiàn)敏感結構及其應力釋放結構的工藝制造、玻璃漿料鍵合，實現(xiàn)圓片級封裝[15]。利用DRIE技術實現(xiàn)應力隔離結構的刻蝕釋放。最后實現(xiàn)敏感芯片、應力隔離結構、ASIC芯片和陶瓷管殼的低應力互連。如圖6所示，具體工藝流程為：（1）選用特定厚度的硅片制作應力隔離結構；（2）刻蝕隔離結構與敏感芯片連接的凸臺；（3）刻蝕隔離結構與陶瓷基底之間的沉槽；（4）刻蝕隔離結構懸臂結構；（5）敏感芯片與應力隔離結構硅硅鍵合；（6）鍵合后的結構分別與ASIC芯片和陶瓷管殼連接。

圖6 蝶翼式加速度計加工工藝流程Fig.6 Machining process flow of butterfly accelerometer

制作完成的蝶翼式加速度計實物如圖7所示。

圖7 蝶翼式加速度計實物圖Fig.7 Physical drawing of butterfly accelerometer

3.2 性能測試

為了進一步驗證應力釋放與隔離結構設計的正確性，分別對有無兩種結構各3只加速度計測試了-40℃～60℃的溫度漂移，測試結果如圖8所示。

圖8 不同結構蝶翼式加速度計溫度測試結果對比圖Fig.8 Comparison of temperature test results of butterfly accelerometers with different structures

從圖8中可以看出，在-40℃～60℃溫度區(qū)間內，無應力釋放與隔離結構的三只加速度計全溫漂移平均值為6.19g，而有應力釋放與隔離結構的三只加速度計全溫漂移平均值僅為1.37g，提升約3.5倍，證明了本文提出的應力釋放與隔離結構對加速度計溫度穩(wěn)定性提升的有效性。

4 結 論

本文以蝶翼式加速度計為研究對象，提出了一種用于提升其溫度穩(wěn)定性的方法，即通過設計應力釋放與隔離結構降低結構熱應力水平，并通過仿真和試驗的方法驗證了結構設計的有效性和正確性，通過研究可以得到以下結論：1）熱應力對加速度計輸出的影響主要來源于敏感結構變形和封裝應力；2）在敏感梁上設計應力釋放結構、在封裝等熱彈性系數(shù)不一致的連接區(qū)域設計應力隔離結構，能夠明顯提升加速度計的溫度穩(wěn)定性；3）設計應力釋放和隔離結構參數(shù)時，需要考慮應力釋放與隔離結構增加前后敏感結構的諧振頻率變化情況。