差分电容式硅微加速度计表头芯片的测试方法研究

图 4 表头芯片的中心硅摆片自由活动性测试
正常表头芯片的中心硅摆片的自由活动性能曲线图 如图 5 所示：
图 5 表头芯片中心硅摆片自由活动性 C_V 曲线图
由该“C_V 曲线图”就可以对表头芯片差分电容的对 称性及中心硅摆片的运动特性做出准确判断；通过“吸合
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电压”及“释放电压”的数值还可对挠性筋质量及电极材 料质量做出定性分析。在测试过程中还可对各类失效的表 头芯片进行筛选和分析，如图 6、图 7 及图 8 所示为不同 类型的失效表头芯片的测试曲线图。
图 7 表头芯片故障现象 2
图 8 表头芯片故障现象 3
2.3 表头芯片的耐压测试
硅微加速度计在闭环电路工作过程中固定极板与中 心硅摆片间需承受一定的电压差，因此，在表头测试过程 中要进行耐压测试。该测试中所采用的耐压测试方法为， 逐级向表头芯片施加至所需耐压值的直流偏压，同时检测 被测电容的电容值、品质因子值及偏压回路的电流值（注： 在测试过程中需要采取措施防止直流电压对 LCR 表的影 响）。通过该项测试可以了解表头芯片的耐压程度，以及 在较大偏压下表头芯片的其它失效模式等信息。
图 9 表头芯片频率响应测试幅、频曲线图
3 结论
本文提出了一种通过静电激励-电容检测的方式对差 分电容式硅微加速度计表头芯片的电容对称性、中心硅摆 片自由活动性、耐压特性进行了测试。该项测试所描绘出 的“C_V 曲线图”可以对表头芯片的性能进行定性的分析， 在了解被测表头芯片电容对称性的基础上还可看出被测 电容及品质因子随加减直流偏压的变化情况，从而通过与 正常表头芯片测试曲线的对比分析相应故障表头芯片的 失效模式。表头芯片频率响应的测试可以提供更多关于表 头芯片动态响应特性方面的信息，为表头芯片随激励信号 响应的快速性及灵敏度等特性提供了必要的数据，从而与
−
1 4d 2
εε 0 AU m 2
cos 2ωt
由以上公式可看出，在交流测试信号的作用下，被测表头
电容极板间除了有一个倍频的交变静电力（第二项）外，
还存在一个常值静电力（第一项）。而交变静电力的平均
值等于零，实际的静电力只有常值力（第一项），且该力
的大小与测试信号的激励电压“Um”的平方成正比。因 此，应尽可能降低测试电压值以减小该静电力。
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第三届中国导航、制导与控制学术会议 2009 年 11 月 14~15 日 中国 北京
差分电容式硅微加速度计表头芯片的测试方法研究
肖鹏，王小斌，杨卫民，魏芳林
（中航工业飞行自动控制研究所 控制一体化技术国家级科技重点实验室，西安 710065）
摘要：为了筛选出合格的硅微加速度计表头芯片，并在此基础上更为详尽的了解和分析各类失效 表头芯片的故障模式，提出了一种采用静电激励-电容检测的方式了解表头芯片的中心硅摆片在 两个固定电极板间的自由活动性能，并在此基础上对表头芯片的电容对称性、耐压特性、及频率 响应特性进行了测试与分析。根据测试结果可对表头芯片进行分类，在筛选出合格表头芯片的同 时为解决各类失效表头芯片的故障模式并提高表头芯片成活率提供必要的测试数据。 关键词：电容式微加速度计；摆片自由活动性；耐压特性；频率响应特性
作者简介：肖鹏（1980-），男，陕西，汉族，硕士，工程师，研究方向为惯性 传感器的测试技术；王小斌（1968-），男，陕西，汉族，硕士，高级工程师， 研究方向为惯性传感器的仿真与设计；杨卫民（1970-）男，陕西，汉族，硕 士，高级工程师，研究方向为惯性传感器的设计；魏芳林（1973-），女，陕西， 汉族，硕士，高级工程师，研究方向为惯性传感器的测试技术。
输入时，中心硅摆片在惯性力的作用下将会有角度为“α”
的摆动，此时电容值：
∫ ∫ C1 = ε 0ε r
L cosα 0
d1
Wdx + tgα
⋅
x
， C2
= ε0εr
L cosα Wdx 0 d1 − tgα ⋅ x
通过求解差分电容并将其转化为电压信号后便可求解输
入的加速度值，其工作原理图如图 2 所示。
2 差分电容式硅微加速度计表头芯片的测 试方法研究
2.1 表头芯片电容 LCR 测试仪表的参数设置
表头芯片的被测电容值一般在“pf”量级，要能够 对其微小的电容变化量进行精确的测试，在使用高精度 LCR 测试仪的同时，还需要对测试信号的参数进行设置。 本文采用“自动平衡电桥”法对高精度、高品质因子的表 头芯片电容进行测试，其测试信号为一小幅值的交流正弦 信号。
图 3 表头被测电容实际电路模型
2.2 表头芯片中心硅摆片的自由活动性测试
表头芯片在工艺制作完成后与电路封装前需要进行 筛选，而且要对不同工艺参数下表头芯片性能进行对比和 分析。因此，仅用 LCR 表对表头芯片电容进行简单的测试 无法对表头芯片性能进行定性的分析。本文采用静电激励 -电容检测的方式使表头芯片的中心硅摆片在固定电极间 自由摆动[3]，在此过程中，用 LCR 表对被测电容、品质因 子等参数进行实时测试和记录，测试实物图如图 4 所示：
2.1.1 电压幅值设置
电压过高会在表头的中心硅摆片及玻璃电极间存在
由该交流电压引起的静电力，该静电力会造成测试误差；
而电压过低会影响测试灵敏度。由交流测试信号引起被测
电容极板间的静电力可表示为【2】：
F
=
1 2
εε
0
A(U d
)2
=
1 2
εε 0
U A(
m
sin d
ωt )2
=
1 4d 2
εε 0 AU m 2
1 差分电容式硅微加速度计工作原理
图 1 差分电容式硅微加速度计的结构原理图
图 1 是典型的差分电容式硅微加速度计的结构原理 图，其主要工作部件包括挠性筋、通过挠性筋连接到固定 端的中心硅摆片以及上下相对的固定玻璃电极，玻璃极板 通过阳极键合与中心硅片实现组合。根据牛顿第二运动定 律“F=MA”，当中心硅摆片受到外部加速度作用时将会 产生指向一侧玻璃电极的惯性力（该力将与挠性筋的回复 力平衡），在此力的作用下中心摆片将会发生位移，其与 两侧玻璃电极间的电容量也相应的发生变化，通过检测此 差分电容的变化量便可推算加速度的大小。
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图 2 加速度计工作原理图
假设中心硅摆片的宽度为“W”，长度为“L”，其与
两玻璃电极间的间隙分别为“d1”及“d2”，则当加速度 计处于“门状态”且无外来加速度时其电容：
C1
= ε 0ε r
W ×L d1
=
C2
=
ε 0ε r
W× d2
L
(d1
=
d2
=
d0 )
其中，“ε0”及“εr”为电容介电常数，“d0”为此时中 心硅摆片与两侧固定极板间的间隙。当有外界加速度信号
Research on the testing method for sensor chips of differential capacitive
micro-silicon accelerometer
Xiao Peng, Wang Xiaobin, Yang Weimin, Wei Fanglin
Keywords: micro-capacitive accelerometer, proof mass freedom, maximum voltage resistance, frequency response
引言1
基于 MEMS 技术的差分电容式硅微加速度计具有体 积小、结构简单、分辨率高、动态响应快及可批量生产等 优点，是微型惯性测量组合的核心器件【1】。随着差分电 容式硅微加速度计向中高精度的发展，对表头芯片的测试 也提出了更高的要求。为了筛选出性能优异的表头芯片并 在此基础上对其设计和工艺参数进一步优化，就需要对批 生产的表头芯片的相关性能进行详细的测试。差分电容式 硅微加速度计的基础电容一般在几十个皮法以内，其敏感 加速度的变化量就更小，相应的检测质量块的位移在几个 微米以内。因此，本文采用了静电激励-电容检测的方式 对表头芯片的电容对称性、中心硅摆片自由活动性、耐压 特性及频率响应特性等进行了测试。
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设计仿真结果进行对比和分析。通过该测试方法，不仅可 以筛选出与电路封装匹配的合格表头芯片，而且通过对各 类失效表头芯片的分析可以进一步对其设计及工艺参数 提出优化和改进方案。
参考文献：
【1】
Julian W G, Vijay K V, Osama O A. 微传感器、 微机 电系统和灵巧器件 [M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.
2.1.2 频率设置
电容表在测试被测电容时，是将其视为线性的等效电 路模型：通过流过被测器件的电流值和其两端的电压值的
比值来计算。而实际的 MEMS 器件由于非线性的“金— 半”接触（金属与半导体的接触）将导致其电路特性的非 线性。因此，过高的频率会使“金—半”接触部分的分压 增大，而实际被测电容部分的分压减小，分压增大部分将 会由于该部分的寄生电阻、电容及肖特基二极管等器件的 存在而影响测试精度；过低的频率将会使被测电容值输出 稳定性变差。因此，需要综合考虑后设置出适合表头芯片 测试的频率值。实际的表头被测电容的电路模型如图 3 所示：
(National Key Laboratory of Science and Technology on Holistic Control, Flight Automatic Control Research Institute, AVIC, Xi’an 710065, China)
Abstract: In order to pick out the good sensor chips from the silicon wafer and know the mechanism of bad ones, a method of electrostatic exciting and capacitive detecting is introduced to test the proof mass freedom of the sensor chips’, besides that, the sensor chips’ capacitance symmetry, maximum voltage-resistance, and frequency response is also investigated. According to the measurement result, the sensor chips can be divided into different types, not only the good sensor chips can be chose, but also the necessary measurement data of disabled sensor chips can be provided for optimizing and improving the sensor chips’ yield.