型高灵敏度横向电容式硅微加速度计

第３卷第４期２００５年１２月纳米技术与精密工程ＮａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶ０１．３Ｎｏ４Ｄｅｃ２００５一种新型高灵敏度横向电容式硅微加速度计宋飞，王欣，王奕松，陈兢（北京大学微电子学研究院，北京１００８７１）摘要：提出了一种新型高灵敏度横向电容式硅微加速度计．根据差分电容极板间正对面积的改变来检测加速度走小，保证输出电压与加速度之间的线性度系统刚度可由静电力调节为了提高电学灵敏度，在检测电容极板上设计高Ｋ介质层，增大了检测电容量，减小了杂散电容的影响使用ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ对本设计进行机械分析、力电耦合分析和模态分析，仿真结果与理论计算相吻合加速度计使用简单的表面牺牲层工艺即可完成，具有很好的发展前案．关键词：微机电系统；横向敏感；刚度调节；高Ｋ介质；电容式加速度计中图分类号：ＴＮ８２４４文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—６０３０（２００５）０４—０２８３—０７ＡＮｏｖｅｌＴｕｎａｂｌｅＬａｔｅｒａｌＳｅｎｓｉｎｇＣａｐａｃｉｔｉｖｅＳｉｌｉｃｏｎＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＡｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｗｉｔｈＨｉ曲ＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙＳＯＮＧＦｅｉ，ＷＡＮＧＸｉｎ，ＷＡＮＧＹｉ·ｓｏｎｇ，ＣＨＥＮＪｉｎｇ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ０ｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＰｅｋｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８７１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｏｖｅｌｌａｔｅｒａｌｓｅｎｓｉｎｇｃａｐａｃｉｔｉｖｅｓｉｌｉｃｏｎａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ｈａｖｉｎｇｔｕｎａｂｌｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｂｙｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｆｏｒｃｅ．ｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｉｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｍｏｄｉｆｙｉｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｏｖｅｒｌａｐ０ｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｃａｐａｃｉ－ｔｏ。

ｐａｉｒａｎｄｔｈｅｌｉｎｅａｒｉｔｙｂｅｔｗｅｅｎｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｉｓｅｎｓｕｒｅｄ．Ｔｏｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ．ｈｉｇｈＫｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｌａｙｅｒｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｓｅｎｓｉｎｇｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ．ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ－ｅｌｅｃ—ｔｒｉｃａｌｃｏｕｐｌｅｄａｌｌａｌｖｓｉ８ａｎｄｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｗｉｔｈＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｍａｔｃｈｅｄｖｅｒｙｗｅｌｌｗｉｔｈｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ．Ｉｔｉｓｓｉｍｐｌｅｓｕｒｆａｃｅｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｇｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｆｌｏｗｔｏｓｅｔ“ｐｔｈｅａｃｃｅｌｅｒｏ—ｍｅｔｅｒｗｉｔｈａｇｏｏｄｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ；ｌａｔｅｒａｌｓｅｎｓｉｎｇ；ｓｔｉｆｆｎｅｓｓｔｕｎｉｎｇ；ｈｉｇｈＫｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ；ｃａｐａｃｉｔｉｖｅａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ加速度计是重要的惯性仪表之一，广泛应用于惯性导航与制导系统、高技术武器和安全气囊等领域．从２０世纪９Ｄ年代开始，微加速度计得到了迅速发展，出现了基于多种物理效应的加速度计，如电容式、隧道电流型、压阻式、压电式和热对流式等．目前各国的微机械加速度计的研究方向主要集中于高分辨率、多轴集成和数字化输出三个方面“１．多轴集成的加速度计虽然只是发展的一个方向，但需要三个谐振频率相近且相互正交的工作模态来检测三个轴向的加速度计，由于三个模态间的相互干扰及较高的偏轴灵敏度问题，加之工艺复杂，故限制了其实现．最简单的三轴加速度计可以将三个单轴加速度计相互正交地制作于同一硅衬底上…，故本文主要研究单轴微加速度计．电容式硅微加速度计由于物理机制明确、敏感器件制作简单且不受温度影响，其研究最为透彻，是目前设计的主流．本文提出了一种新型横向电容式微加速度传感器，利用电容差值与极板正对面积的线性关系来检测加速度，以确保系统在大范围内的线性度．传感器采用梳齿差分形式的检测电容，可以较好地抑制外界干扰，降低偏轴灵敏度．此外，还利用ＭＥＭＳ静电驱动中的弹簧软化（ｓｐｒｉｎｇｓｏｆｔｅｎｉｎｇ）”ｏ现象，调整系统刚度到期望值．为了减小寄生电容对灵敏度的影响，采用溅射高Ｋ介质的方法来增大检测电容值，以提高加速度计的收稿日期：２００５．０９－０９．作者简介：宋飞（１９８２），男Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｏｎ出ｌ＠ｉｍｅｐｋｕｅｄｕ联系人：陈兢（１９７４一），男，副教授Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｃｈｅｎ＠ｉｍｅ．ｐｋｕｅｄｕ．Ｃ１３．２８６纳米技术与精密工程第３卷第４期过在刚度调节梳齿四周的固支上施加合适的偏置电压Ｋ，便能有效地调整刚度．（ａ）加速度计俯视图（ｂ）沿月月’截面的侧视图图ｓ横向电容式硅微加速度计原理在惯性质量块两端各有一对折叠梁（共４根），对应图５模型中的机械弹簧．对于单轴加速度计，非敏感轴方向的加速度足不希望在输出中混入的，其它自由度的运动引起的测量误差称为偏轴灵敏度”’４１．要求“弹簧”在检测（敏感轴）方向刚度较小，偏轴灵敏度低，抗干扰能力强，残余庞力小．折叠梁属于挠性梁结构的一种”ｏ，折叠梁在敏感轴方向较软，其它方向有较大刚度，因此其检测模态的频率可以与高阶模态拉开较大差距，防止交叉耦合．此外，折叠梁两端还设计了止档，防止菜一时刻瞬时加速度过冲，造成折叠梁的损坏．惯性质量ｍ上有很多阻尼孔，主要有两方面原因：一是在表面牺牲层工艺中结构释放的需要；二是可以调整系统的阻尼系数，改善加速度计的动态性能，减小噪声．阻尼孔尺寸的设计需要优化．（ｂ）受到加速度时图６部分刚度调节梳齿结构（俯视）加速度计的结构设计、优化与仿真采用ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ２００４Ｅ７．２．２模拟与仿真在加速度计的没计过程中应注意以下几方面的问题：①敏感轴（１，轴）力‘向的刚度应设计得合适，使得在敏感轴方向的加速度作用下，产生较大的偏移，以便于检测电路的测量，提高灵敏度；②由理论分析式（２）可知，要使输出检测信号增大，一是要增大ＡＡ（这点通过降低敏感轴的刚度可以达到），二是每对差分检测电容的初始正对面积Ａ应尽可能小一些，但是总的检测电容又不能减小，因为要减小寄生电容Ｃ。

的影响和提高加速度计的分辨率；③刚度调节梳齿的数目不能太少，否则造成刚度调节的效果不明显；④提高置和ｚ轴的刚度，即增大高阶模态的偕振频率，使其远高于检测模态．针对以上问题，提出了经过优化后，用于仿真的加速度计结构，如图７所示，此结构没有在惯性质量块Ｌ设计阻尼｝Ｌ，因为在ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ仿真过程中可以手动设置阻尼系数值，如果在仿真结构中加上阻尼孔会造成仿真时间的大幅度增加至不能接受的程度．在仿真中，对很多设计参数都作了理想化的近似，这些近似是在保证仿真准确性的前提下，尽可能地减小仿真数２００５年１２月朱飞等：一种新型高灵敏度横向电容式硅微加速度计２８７据量和时间条件下做出的．整个结构面积为７２０¨ｍ×６３４Ｉｚｍ，中间惯性质量块长５７０Ｉ．ｔｍ，宽２００¨ｍ；折叠梁上下各一对，每根折叠梁长３１０斗ｍ，宽２岬，拐角处接头长１０阻ｍ，宽９“ｍ；惯性质量中间部分，两边各有７根町动检测电极，长１８５Ｉｘｍ，宽２０“ｍ；惯性质量四周各有１４对调节刚度的梳齿，长５０岬，宽２Ｉｘｍ；第一层多晶硅作检测电容的固定极板，左右各７根，每根长６０５岬，宽１２¨ｍ；每根可动极板与下方每根固定电极正对面积为６“ｍ２，中间间隙８肛ｍ；第一层多晶硅厚０．３阻ｍ，第二层多晶硅厚７扯ｍ；电容卜下极板间距为２斗ｍ空气加０．２５¨ｍ高Ｋ介质薄膜Ｔａ～０计算惯性质量块ｍ的质量（包括可动电极和调刚度梳齿，无阻尼孔）为２．５０×１０一ｋｇ．根据折叠梁的理论计算公式“可推得ｙ、盖、ｚ方向的刚度为＆，：兰掣：坠业必型卫粤旦型。

Ｌ。

【３１０Ｉｚｍ）。

６，０２×１０“Ｎ／ｍ（９）＆，，：兰！型：！！ｉ！ｉ！堡！１２１（！世里２１１１些坐）。

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一Ｌ一（３１０ｕｍ）１．４５×１０４Ｎ／ｍ（１０）Ｌ一２ＥＷ５Ｈ一！！ｉ坚！（！些堡２：！ｉ！丛坐）一ｒ（３１０“ｍ）’７．３７Ｎ／ｍ（１１）图７ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ仿真的加速度计结构苗先在ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ中进行机械模拟：给定加速度１７，，＝９８ｍ／ｓ２、吼＝％＝０，仿真结果见表１．可见ｙ方向的位移远大于置和ｚ方向，即ｙ轴刚度远低于ｘ和ｚ轴．理论计算Ｙ方向的偏移量为ｍｏｙ（２５０×１０叫ｋｇ）×（９８ｍ／ｓ２）……”…＾。

６．０２×１０。

１Ｎ／ｍ４．０７×１０—２Ｉｘｍｆ１２）吻合理论计算与仿真结果４，１８０９０９３×１０。

２／ｘｍ基本表１在４ｒ＝９．８ｍ／ｓ２和口Ｔ＝口ｚ＝０情况下的偏移■节点位移最大位移量／¨ｍ最小位移茸／ｐ，ｍ善１．０５６９１０ｘ１０－４一１．０５６９１０ｘ１０ｙ４１８０９０９３ｘ１０—２一ｉ２３２２８２×１０一，Ｚ７．１６６３６０ｘ１０－ｂ一７．１６８９５７ｘ１０一。

由于初始条件检测电容的可动极板与固定极板问交叠长度为６汕ｍ，因此Ｙ轴的最大加速度应保证ｙ方向的偏移量小于６¨ｍ，据此求出能够检测的最大加速度为Ｙ。

‘ｋ，（６¨ｍ）×（６．０２×１０“Ｎ／ｍ）““。

１一ｍ一２５×１０一ｋｇ～１４４．４８ｍ／ｓ２（１３）接下来分析加速度计的偏轴灵敏度．给定加速度。

，＝％＝９．８ｍ／ｓ２、％＝０，仿真结果见表２，对比表１结果，可见ｌ，方向偏移量的变化仅为２．８０７×１０¨ｍ，即６．７×１０。

％，说明非敏感轴方向（ｘ向）的加速度。

，对检测方向（Ｙ向）的测鼍影响很小，加速度计具有很低的偏轴灵敏度．表２在ａ，＝ａ。

＝１ｇ和ａ：＝０情况下的偏移■节点位移最大位移量／Ⅱｍ最小位移量／¨ｍＪ３１０４４９０ｘ１０—１１２７１５１×１０叫ｒ４１８１１９０×１０叫一１．２８ｌ７６５×１０叫Ｚ７８０４４９４８×１０－６一７８０６７０８×１０咄进一步对检测电容的大小进行分析．理论计算得出的标称电容大小Ｃｏ一１．９１×１０“３Ｆ，在ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ仿真得出的标称电容大小为２．５４×１０“３Ｆ．两者之间的误差是由于理论计算中只考虑了平行板电容，而仿真中还加上了边缘电场的影响，因此电容值要比理论值大，需要给理论值乘以一个校正因子口（一般１＜口＜２）吵力电耦合分析主要观察刚度调节梳齿的作用．进行了两组分析：第ｌ组加速度。