电容式微加速度计的研制

　　硅微机械加工的微加速度传感器以其高灵敏度、良好的稳定性以及低温度系数等优点, 近年来得到了迅速的发展。但在微加速度传感器制作中, 由于工艺上的困难, 硅梁一般位于质量块的一侧。而硅梁与质量块质心不在同一水平面上会引起横向灵敏度效应。为消除横向灵敏度效应, 一种方法是采用浓硼扩散腐蚀自终止技术, 在质量块的上下两表面作两根对称梁, 这种方法的缺点是工艺较复杂, 且浓硼扩散会在梁中引起残余应力的作用[ 1 ] 。文献[ 2] 的三明治结构采用硅的体微机械加工技术和无掩膜腐蚀技术, 把梁制作在包含质量块中心的平面内, 从而可以在结构上消除横向灵敏度效应。三明治结构需要3 层材料, 2次键合, 存在加工成本高、寄生电容大、键合误差大等问题。

　　由北京大学微电子所设计的利用ICP 刻蚀实现横向三明治结构, 如图1 所示, 从工艺上说, 仅需要1 次键合, 3 层版图, 利用ICP 深刻蚀等技术加工便可以完成的优点; 从结构上, 存在结构不稳定、电容感应面积小等缺点。

　　本文在文献[ 3] 的基础上, 改用双、四梁结构, 加入了疏齿检测电容, 在北京大学微电子所的标准工艺和北大青鸟公司的封装条件下设计完成了新的微加速度计加工、封装和测试工作。

　　1 结构原理

　　图2 是三明治电容式微加速度传感器的剖面结构示意图[ 4] 。在硅梁) ) ) 质量块结构的上下两面静电键合上有金属电极的玻璃板, 形成三明治结构的电容式加速度传感器。

　　基于弹性力学挠曲线近似微分方程, 加速度传感器受力微分方程可表示为:

　　式( 3) 中表示了悬臂梁变形与待测加速度a 之间存在比例关系。

　　2 结构和版图设计

　　电容式微加速度计的结构设计主要包括三部分: 敏感质量以及与敏感质量一体的活动电容极板,固定电容极板以及两者之间的弹性连接部分。

　　由于微机械尺寸很小, 所以形成的电容量是非常微弱的, 因此目前电容式微加速度计几乎都是采差动结构。在基于玻璃硅键合技术和ICP 刻蚀技术之上, 设计一种横向的“三明治” 电容式微加速度计。该结构将两种改变平行板电容的方法有效地结合在一起。它采用双端固支的悬臂梁, 在质量块的左右两边设计了附加的尾部, 来增加惯性质量的同时降低了热机械噪声。为了提高结构性能, 在尾部设计了上下对称的叉齿结构。以双端悬臂梁为中心轴, 上下两边的电容极板设计为相同的极性, 以形成差分电容。电容极板面积的选择也关系到器件的性能, 增大电容极板面积会带来增大阻尼、减小带宽、降低线性度等负面的影响。惯性质量在敏感方向上的振动, 使得形成横向“三明治”结构的差分电容的极板间距发生了改变, 同时叉指部分的正对面积也发生了改变, 产生了电容变化量。设计的结构如图3 所示。