电容式微加速度计

电容式微加速度计

电容式微加速度计的三种常见结构：

1、扭摆式微加速度计（跷跷板式）

2、梳齿式微加速度计（叉指式）

3、悬臂梁式加速度计（三明治式）

1、扭摆式微加速度计（跷跷板式）

结构：,扭摆式微硅型加速度计由一对挠性轴; 一个板块; 一个质量块和四个电极

(二个敏感电极,二个激励电极)组成。加速度计的挠性抽在扭转方向上是很软的,而在其它方向上很硬。

工作原理：质量块在加速度作用下,产生扭矩使加速度计的挠性轴扭转,引起输出敏感电容的变化。（工作简图、计算公式）

公式中的参数：A 为敏感电极宽度; L 为加速度计板块长度; L - x 0 为敏感电极的长度。X为介电常数。

如图2 所示, 当无加速度输人时, 摆元件处于平衡位置, 每个传感器电极的极板之间间隙相等, 电容量也相等, 无电压输出。当有加速度a 输人时, 检测质量的’惯性力将对挠性轴产生惯性力矩( 即图2 中的Ma),使摆元件绕挠性轴偏转O, 导致敏感电容器的一个极板的间隙增大, 电容减小。另一个极板的间隙减小, 电容增大。将其电容值△ C 作为一个控制信号, 经后续电子线路形成加在力矩器电极( 即施力电极)上的控制电压△U。同时在力矩器的控制极板上施加偏置电压Uo。在控制电压作用下, 间隙大的电极上的电压增大而使静电吸力增大; 间隙小的电极上的电压减小而使静电吸力减小。其吸力差对挠性轴产生的静电力矩( 即图2 中的Me)作用, 以平衡由加速度产生的惯性力矩Ma。同样控制电压△u 正比于输人加速度。, 根据控制电压的大小即可测得加速度值。

式中: k。为比例系数( 由极板的结构尺寸所决定) ; kd为检测控制电路的增益( 完全由后续电路所决定) ;ku为加速度计的标度因数。

制作工艺：

步骤：

图6(a )在N 型< 100> 硅片上进行氧化和挠性轴支承扩散,要求硼扩散浓度大于1×1020

图6( b )进行第一次EPW腐蚀(各向异性腐蚀)形成加速度计板块与玻璃之间的间隙D

图6( c)进行第二次浓硼扩散,为制作加速度计的质量块。

图6( d)进行第三次浓硼扩散,制作加速度计的板块

图6( e)进行第四次浓硼扩散,制作加速度计的挠性轴。

图6( f )选择7741玻璃,溅射Cr- Ti- Au,光刻形成电极及引出。

图6( g ) ,玻璃和硅片静电键合(注意对准)。

图6( h)进行EPW腐,去除无用硅。

总结：

扭摆式微硅型加速度计是一种完全对称,采用一面电极就可获得敏感电容的差容输出,设置反馈电极容易,由于采用了反馈激励电极使加速度计工作范围宽,实现调零容易,制作

工艺较简单,是一种较有发展前途的微硅型加速度计。扭摆式硅微型加速度计由于具有体积小、重量轻、易于大批量生产等一系列优点, 目前国外已经开始进人实际应用阶段, 在国内也已有数家单位开始研究并取得了一些成果。应该说这种硅微型加速度计的应用前景是非常诱人的, 一旦它们达到中等惯性仪表的精度( 国外已经达到), 就可以满足大量战术武器的要求,如灵巧炮弹或炸弹、战术导弹及飞控系统等航空航天领域, 与GSP 组合, 可组成小型低价的导航定位系统。

2、梳齿式微加速度计

梳齿式微机械加速度计是一种力平衡式的微机电系统(MEMS)电容加速度计, 通过敏感惯性力的变化转换成电容的变化来间接测量外界的加速度。梳齿式微硅加速度计实质上是一种电容式加速度计, 通过敏感惯性力的变化转换成电容的变化来间接测量外加的加速度。梳齿式微硅加速度计敏感元件的定齿和动齿形成差动电容对。当受到加速度作用时, 敏感元件的支持框架从平衡位置发生移动,因此差动电容对中一个电容值增大另一电容值等量减小。通过电路感知差动电容量的变化就可以知道加速度的大小。

梳齿式微硅加速度计敏感元件的结构如图2 所示。敏感元件是一个微机械的双侧梳齿结构。这种敏感元件的敏感轴与基片平行, 检测质量为“H”形。“H”形的四根细梁将检测质量固定于基片上。检测质量可以自由地沿垂直于细梁的方向运动。因检测及加力电路的需要, 在每两个相邻的动指之间有两

个动齿。固定电极形状为“T”和“L”形。动齿由中央质量杆(齿枢)向外侧伸出, 每个梳齿为可变电容的一个活动电极。固定齿与活动齿交错配置。

总结：三明治”结构虽然可以制作出精度较高、封闭性较好的理想加速度计,具有灵敏度高、温度稳定性好、结构相对简单、功耗比较低、直流特性好等优点，但是加工工艺难度较高，容易受到电磁干扰。

具体工艺在表面微加工的应用中已经讲过，具体工艺步骤如下：

1、牺牲层淀积和光刻

2、RIE结构层支撑锚点

3、多晶硅结构层淀积、掺杂和退火

4、去除顶部PSG

5、光刻和RIE刻蚀结构层多晶硅

6、释放

3、悬臂梁式加速度计（三明治式）

采用体硅微机械加工技术对该硅微加速度计的敏感芯片进行了工艺试制。挠性梁的制作是敏感芯片加工的关键技术之一，其难点在于挠性梁位于质量块厚度方向（Z 轴方向）的中央位置，梁的表面与质量块的表面高度差为140 μm 左右，现有光刻掩膜技术基本无法实现选择性掩蔽。为此对Heng Yang 等人[8]提出的硅无掩膜腐蚀技术进行了改进。通过合理的

设计，使在挠性梁腐蚀侧面上产生（311）面，通过控制所产生的（311）面对（111）面的侵削作用，成功解决了这一问题。

工作原理：当在z 方向有加速度加入时, 检测质量块在惯性力作用下, 沿z 方向产生一个微小偏置Δd , 导致质量块与上下两极板之间电容值一个减小, 一个增加. 通过检测电路测出电容差值差, 就可换算出加速度值. 该加速度计结构的主要特点是:(1)采用关于检测质量块中心对称的8 根悬臂梁支撑质量块, 支撑悬臂梁在两层上下对称的平面上, 每一层有四根悬臂梁;(2)整个硅片的厚度得到利用, 获得了较大的检测质量块, 提高了信噪比;(3)采用了三明治式结构, 适于闭环检测。

制作工艺：

(1)首先在硅片的正反两面进行反应离子刻蚀(RIE), 刻蚀出正反面对称的用来限定悬臂梁

宽度的限制沟槽对, 沟槽的宽度为2μm , 深度为30μm ,沟槽对中沟槽与沟槽之间的距离为50μm , 限制沟槽对的长度方向被特意设计成沿着〈110〉方向. 然后将硅片做热氧化处理, 使限制沟槽对被SiO2 填充,如图3(a)所示.

(2) 从硅片的反面, 用深反应离子刻蚀的方法在限制沟槽对的外沿刻蚀出相对较宽的凹槽对, 通过精确控制凹槽对的深度, 使凹槽对的上端稍微越过硅片正面限制沟槽对的下端, 凹槽的宽度为20μm ,深度为350μm , 如图3(b)所示.

(3) 将硅片放入KOH 溶液中, 使KOH 溶液进入凹槽对, 对凹槽的侧面进行腐蚀. 凹槽的侧面实际上是(110)平面,KOH 对(110)面的腐蚀速率很快,对SiO2 和(111)面的腐蚀速率相对很慢, 因此经过长时间的KOH 腐蚀后, 凹槽侧面没有受SiO2 保护的地方被KOH 腐蚀掉, 这样就释放了底部的悬臂梁. 可以看出, (1)中限制沟槽的深度实际上决定了悬臂梁的厚度, 限制沟槽的作用就是阻止悬臂梁区域的侧向腐蚀, 从而精确决定了悬臂梁的厚度(30μm)和宽度(50μm), 如图3(c)所示.

(4) 将硅片阳极键合到事先制作好的约5μm 键合凹坑的Py rex 玻璃衬底上, 在键合凹坑的上表面有一层溅射的约500nm 厚的铝金属薄膜作为下极板, 如图3(d)所示.

(5) 从硅片的上表面, 用DRIE 工艺释放出上部悬臂梁、质量块和阻尼孔, 如图3(e)所示. 实际的释放过程比图示的要复杂一些, 我们巧妙设计了掩模版图和工艺流程, 利用SiO2 和光刻胶复合刻蚀掩模, 使阻尼孔和上层悬臂梁几乎同时释放. 释放过程中DRIE 的腐蚀性气体与下层悬臂梁的接触时间得到有效控制, 最大限度地减少下层梁损伤.

(6) 硅片上表面与Py rex 玻璃上盖板进行阳极键合, 形成三明治结构. 这一步的Py rex 玻璃和第4步中的Py rex 玻璃一样, 事先制作好了键合凹坑并在凹坑上溅射一层铝薄膜作为上极板, 如图3(f)所示.

提出了一种具有“8 悬臂梁-质量块”结构的新型三明治式硅微机械电容式加速度计, 用微机械加工工艺在(111)硅片上制作出了具有信号输出的器件. 该加速度计的惯性质量块由同一(111)硅片上下表面对称分布的8 根悬臂梁支撑. 这些悬臂梁是利用(111)硅在KOH 溶液中的各向异性腐蚀特性结合深反应离子刻蚀(DRIE)实现的,其尺度精确可控, 保证了结构的对称性. 该加速度计的谐振频率为2. 08kHz , 品质因子Q 为21. 4, 灵敏度为93. 7mV /g.。

总结：电容式微加速度计是利用质量块把加速度的变化转换成电容电极的变化，一般采用差分结构。电容式微加速度计因具有高精度、低温度敏感系数、低功耗、宽动态范围和微机械结构等优点而成为当前国内外的研究热点。当前的科学研究以及市场份额中都是以电容式加速度计为主，占据了MEMS加速度计的半壁江山。