梳狀電容式微加速度計(jì)溫度性能優(yōu)化

王帥民，孫國(guó)良，牛昊斌，李博洋，余才佳

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安710076）

0 引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems,MEMS）加速度計(jì)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)儀表、智能彈藥、民用產(chǎn)品之中。加速度計(jì)的環(huán)境適應(yīng)性也越來(lái)越引起人們的關(guān)注,加速度計(jì)的零偏溫度系數(shù)已成為衡量加速度計(jì)性能的重要指標(biāo)。建立加速度計(jì)輸出值的溫度模型進(jìn)行補(bǔ)償是目前廣泛用來(lái)優(yōu)化提升加速度計(jì)溫度性能的方法[1],但補(bǔ)償殘差仍與加速度計(jì)直接輸出的溫度性能息息相關(guān)。只有減小加速度計(jì)直接輸出電壓的溫度漂移量才能進(jìn)一步減小補(bǔ)償殘差,提高加速度計(jì)的精度和穩(wěn)定性。

梳狀電容式加速度計(jì)是MEMS加速度計(jì)的主流形態(tài)之一,目前該類(lèi)加速度計(jì)的表頭大都采用玻璃-硅-玻璃的3層結(jié)構(gòu),并由伺服控制電路生成反饋實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)閉環(huán)。環(huán)境溫度變化時(shí),玻璃-硅-玻璃結(jié)構(gòu)的材料應(yīng)力和電路元件不匹配帶來(lái)的靜電力會(huì)影響表頭動(dòng)齒的位置,使得加速度計(jì)零偏隨溫度漂移。因此,許多研究人員提出了玻璃-硅-玻璃結(jié)構(gòu)的應(yīng)力仿真優(yōu)化[2]、電容檢測(cè)電路輸出電壓補(bǔ)償[3]等方法提升加速度計(jì)溫度性能。但是,玻璃-硅-玻璃結(jié)構(gòu)自身的材料應(yīng)力難以徹底消除,只能部分消除表頭應(yīng)力,其它應(yīng)力仍會(huì)作用在敏感結(jié)構(gòu)上。環(huán)內(nèi)預(yù)補(bǔ)償雖然能夠有效提高產(chǎn)品溫度性能,但補(bǔ)償方法較為復(fù)雜。每只加速度計(jì)都需要針對(duì)性反復(fù)測(cè)試,以確定環(huán)內(nèi)補(bǔ)償模型。對(duì)元器件進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)表頭動(dòng)齒平衡位置的控制,會(huì)使加速度計(jì)的裝配調(diào)試過(guò)程復(fù)雜化,在工程化生產(chǎn)中難以應(yīng)用。

本文分析了加速度計(jì)的表頭、電路、封裝等因素對(duì)加速度計(jì)零偏的影響,通過(guò)電路溫度性能測(cè)試篩選、全硅表頭、封裝粘膠位置形狀控制等手段完成了加速度計(jì)組件的溫度性能優(yōu)化。在兼顧生產(chǎn)流程可行性的同時(shí),有效減小了加速度計(jì)原始輸出的溫度系數(shù),加速度計(jì)零偏輸出的穩(wěn)定性、重復(fù)性也有不小的提升。

1 加速度計(jì)零偏的影響因素

加速度計(jì)零偏是衡量加速度計(jì)性能的重要指標(biāo),對(duì)于梳齒電容式加速度計(jì)來(lái)說(shuō),其零偏主要包括機(jī)械零位和電路零位[2]。機(jī)械零位是指無(wú)加速度輸入、無(wú)反饋電壓施力時(shí),動(dòng)齒受材料應(yīng)力等因素影響偏離結(jié)構(gòu)中心而帶來(lái)的表頭電容不對(duì)稱(chēng)及加速度計(jì)閉環(huán)工作時(shí)對(duì)應(yīng)的反饋電壓信號(hào)。電路零位是指當(dāng)表頭電容的容值相等時(shí),由于電路元件不匹配帶來(lái)的電容檢測(cè)電路輸出偏置及加速度計(jì)閉環(huán)工作時(shí)對(duì)應(yīng)的反饋電壓信號(hào)。

梳狀電容式加速度的系統(tǒng)原理如圖1所示[3]。當(dāng)外界輸入加速度為0時(shí),閉環(huán)系統(tǒng)的零偏電壓V0可由表頭不對(duì)稱(chēng)電容Cm、電路不對(duì)稱(chēng)電壓Ve表示

式（1）中,Kf為反饋靜電力系數(shù)（力矩器系數(shù)）,k為表頭總剛度（含機(jī)械剛度和靜電負(fù)剛度）,Kdc為位移-電容系數(shù),Kcv為電容檢測(cè)電路的檢測(cè)靈敏度。

圖1 閉環(huán)電容式微機(jī)械加速度計(jì)系統(tǒng)原理Fig.1 System principle of closed-loop capacitive micromechanical accelerometer

加速度計(jì)的機(jī)械零位可表示為

加速度計(jì)的電路零位可表示為

由式（3）可知,加速度計(jì)電路零位與電路不對(duì)稱(chēng)電壓存在線(xiàn)性關(guān)系,電路不對(duì)稱(chēng)電壓可由固定電容法測(cè)得。因此,可由加速度計(jì)伺服電路的電路不對(duì)稱(chēng)電壓-溫度系數(shù)計(jì)算得到加速度計(jì)電路零位的溫度系數(shù)。工程生產(chǎn)時(shí),一方面可以控制電容檢測(cè)電路中關(guān)鍵元器件的精度,以減小電路零位、加速度計(jì)零偏的基礎(chǔ)值,進(jìn)而減小零偏的漂移量；另一方面,可以通過(guò)測(cè)試篩選得到電路零位溫度系數(shù)較小的伺服電路。通過(guò)這兩方面的措施,可以減小加速度計(jì)產(chǎn)品的電路零位溫度系數(shù)。

梳狀電容式加速度計(jì)表頭的電容檢測(cè)原理如圖2所示。加速度計(jì)的機(jī)械零位主要表現(xiàn)為加速度計(jì)表頭電容的不對(duì)稱(chēng),這是由加工時(shí)的工藝誤差造成的。生產(chǎn)過(guò)程中,可以通過(guò)表頭電容測(cè)試篩選等流程篩選出電容對(duì)稱(chēng)性較好的表頭,減小加速度計(jì)產(chǎn)品的機(jī)械零位。但在實(shí)際應(yīng)用中,隨著環(huán)境溫度的變化,由于表頭自身多層結(jié)構(gòu)材料熱膨脹系數(shù)不一致,因此會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力使表頭的結(jié)構(gòu)發(fā)生形變,影響電容極板間隙,改變電容差值,引起表頭電容匹配度的變化[4]。加速度計(jì)封裝時(shí),表頭與封裝管殼之間的粘接處也會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,傳遞到表頭敏感結(jié)構(gòu)處,影響表頭電容匹配度[5-7]。

圖2 梳狀電容式微機(jī)械結(jié)構(gòu)檢測(cè)原理Fig.2 Detection principle of comb-finger capacitive micromechanical structure

因此,需要從表頭自身結(jié)構(gòu)和封裝粘接工藝兩方面進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化,以減小加速度計(jì)機(jī)械零位的溫度系數(shù)。

2 電路零位溫度漂移測(cè)試及篩選

由式（3）可知,加速度計(jì)的電路零位與電容檢測(cè)電路的不對(duì)稱(chēng)電壓線(xiàn)性相關(guān)。因此,需要準(zhǔn)確測(cè)出電容檢測(cè)電路的不對(duì)稱(chēng)電壓來(lái)進(jìn)行電路篩選。對(duì)于電容檢測(cè)電路而言,其輸出電壓Voe可以表示為

當(dāng)C1=C2時(shí),電容檢測(cè)電路輸出電壓即為不對(duì)稱(chēng)電壓,但實(shí)際測(cè)試時(shí)難以做到電容完全匹配。因此,可以通過(guò)交換C1、C2位置的方法進(jìn)行測(cè)量,即

采用該方法對(duì)25只某型梳狀電容式加速度計(jì)的電容檢測(cè)電路進(jìn)行溫度測(cè)試,可得電路的不對(duì)稱(chēng)電壓Ve的溫度漂移。結(jié)合不對(duì)稱(chēng)電壓-電路零位系數(shù),可以得到電路零位在-40℃～70℃溫度區(qū)間的漂移量分布,如圖3所示。

圖3 某批電容檢測(cè)電路與對(duì)應(yīng)加速度計(jì)溫度性能Fig.3 A batch of capacitance detection circuits and corresponding accelerometers temperature performance

結(jié)合電路零位的分布情況,可以選擇20mg為伺服電路篩選標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí),電路零位溫度漂移占加速度計(jì)零位溫度漂移的比例為2%～20%,能夠滿(mǎn)足工程生產(chǎn)需求。

3 玻璃-硅-玻璃表頭與全硅表頭

梳狀電容式加速度計(jì)的表頭包括結(jié)構(gòu)層和上下蓋板。早期產(chǎn)品受鍵合工藝限制,采用玻璃-硅-玻璃鍵合方案[8],中間結(jié)構(gòu)層為硅,上下密封-電極引線(xiàn)層為7740#玻璃,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4（a）所示,硅和玻璃的熱膨脹系數(shù)如圖4（b）所示。

圖4 玻璃-硅-玻璃表頭及各結(jié)構(gòu)層熱膨脹系數(shù)對(duì)比Fig.4 Glass-Si-Glass micromechanical structure and their thermal expansion coefficient

當(dāng)表頭在-40℃～70℃的溫度區(qū)間內(nèi)工作時(shí)（尤其在低溫段時(shí)）,由于表頭材料熱膨脹系數(shù)的差異,會(huì)造成動(dòng)齒結(jié)構(gòu)錨點(diǎn)和定齒結(jié)構(gòu)錨點(diǎn)之間的相對(duì)位移,進(jìn)而引起表頭電容差值的變化,影響加速度計(jì)閉環(huán)零偏。

通過(guò)硅-硅鍵合工藝,可以得到硅-硅-硅結(jié)構(gòu)表頭。該表頭各層熱膨脹系數(shù)一致,動(dòng)齒結(jié)構(gòu)錨點(diǎn)與定齒結(jié)構(gòu)錨點(diǎn)之間位置相對(duì)固定,可以大幅度減小定齒-動(dòng)齒間隙隨溫度變化的改變量,減小機(jī)械零位的溫度漂移量,提升產(chǎn)品溫度性能。但是,全硅表頭鍵合處存在不超過(guò)3μm的SiO2層,會(huì)帶來(lái)很大的寄生電容。該寄生電容會(huì)隨溫度而變化,嚴(yán)重影響加速度計(jì)的溫度性能,需要通過(guò)電容檢測(cè)電路的相關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)該寄生電容的屏蔽。采用具有屏蔽寄生電容功能的CV檢測(cè)電路后,寄生電容隨溫度變化帶來(lái)的加速度計(jì)零位漂移幾乎為0,表頭整體的零位溫度系數(shù)大幅度減小,可以有效提高加速度計(jì)的溫度性能。

4 表頭封裝粘接工藝優(yōu)化

除了表頭自身結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力帶來(lái)的機(jī)械零位以外,表頭的粘接封裝結(jié)構(gòu)隨溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力也會(huì)傳遞到表頭敏感結(jié)構(gòu),影響加速度計(jì)的機(jī)械零位。

目前,MEMS加速度計(jì)多采用陶瓷管殼封裝,常見(jiàn)材質(zhì)包括Al2O3、Si3N4等。這些材料與硅的熱膨脹系數(shù)也不一致,受熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱應(yīng)力,影響加速度計(jì)零位。由于該熱應(yīng)力主要通過(guò)粘膠區(qū)域傳遞到表頭,因此可以通過(guò)設(shè)計(jì)粘膠點(diǎn)的位置、分布形狀、面積來(lái)減小應(yīng)力的傳遞。結(jié)合其他產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn),本文設(shè)計(jì)了全面粘膠、對(duì)稱(chēng)3點(diǎn)粘膠、單點(diǎn)粘膠等多種粘膠方案,并對(duì)這些方案進(jìn)行了仿真及實(shí)際產(chǎn)品測(cè)試。仿真結(jié)果表明,通過(guò)采用3個(gè)對(duì)稱(chēng)的粘膠點(diǎn)的方案可以有效減小封裝熱應(yīng)力的傳遞,提升加速度計(jì)的溫度性能,3種不同粘膠方案的仿真結(jié)果和對(duì)應(yīng)產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 幾種粘膠方案溫度仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果Table 1 Temperature simulation and measured results of several bonding schemes

5 優(yōu)化后加速度計(jì)的性能

采用綜合以上3種方法的新方案對(duì)加速度計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化,得到的梳狀電容式加速度計(jì)產(chǎn)品如圖5所示。

新方案不僅對(duì)加速度計(jì)的溫度性能有明顯提升,同時(shí)對(duì)加速度計(jì)的穩(wěn)定性、重復(fù)性也有明顯改善。本文對(duì)5只新裝配方案的加速度計(jì)進(jìn)行性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如下。

圖5 全硅表頭與加速度計(jì)產(chǎn)品Fig.5 Full-Silicon micromechanical structure and accelerometer products

（1）溫度系數(shù)測(cè)試

采用新方案生產(chǎn)的一批加速度計(jì)（5只）與同一生產(chǎn)線(xiàn)采用舊方案生產(chǎn)的一批加速度計(jì)（方案變更前最后一批,5只）相比,零偏溫度系數(shù)明顯減小。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化前后加速度計(jì)（各5只）零偏溫度系數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of accelerometer zero-bias temperature coefficient before and after optimization

可以看出,采用新方案后,加速度計(jì)的零偏溫度系數(shù)均值由1.3mg/℃減小至0.5mg/℃,溫度性能得到明顯改善。

（2）穩(wěn)定性、重復(fù)性測(cè)試

以A0231加速度計(jì)為例,在0g條件下的穩(wěn)定性（1h）及重復(fù)性（6次測(cè)試,各次測(cè)試之間斷電并轉(zhuǎn)動(dòng)一周,每次上電測(cè)試30min）測(cè)試結(jié)果如圖6所示。測(cè)試結(jié)果表明,新方案的加速度計(jì)穩(wěn)定性、重復(fù)性也有一定程度的提升。

圖6 優(yōu)化后加速度計(jì)的穩(wěn)定性與重復(fù)性Fig.6 Stability and repeatability of accelerometer after optimization

該加速度計(jì)的常溫輸出穩(wěn)定性為0.053mg,常溫輸出重復(fù)性為0.073mg。該批次新方案的加速度計(jì)穩(wěn)定性、重復(fù)性也都接近該加速度計(jì)。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì),方案變更前后加速度計(jì)的平均穩(wěn)定性和平均重復(fù)性如表3所示?？梢钥闯?采用新方案后,生產(chǎn)線(xiàn)裝配的加速度計(jì)性能有明顯提升。

表3 優(yōu)化前后加速度計(jì)的平均穩(wěn)定性和平均重復(fù)性Table 3 Average stability and average repeatability of accelerometer before and after optimization

6 結(jié)論

加速度計(jì)的零偏主要是由伺服電路的電路零位和表頭的機(jī)械零位組成,電容檢測(cè)電路不對(duì)稱(chēng)電壓隨溫度變化的漂移和表頭電容差值隨溫度變化的改變是加速度計(jì)零偏溫度漂移的主要影響因素。

通過(guò)對(duì)加速度計(jì)伺服電路進(jìn)行溫度性能測(cè)試,可得到電路零位的溫度系數(shù),并根據(jù)電路的不對(duì)稱(chēng)電壓-電路零位系數(shù)進(jìn)行電路篩選,可以有效降低加速度計(jì)的電路零位。采用基于硅-硅鍵合工藝的全硅表頭,使用對(duì)稱(chēng)3點(diǎn)粘膠方案,可以有效減小加速度計(jì)的機(jī)械零位溫度漂移。

采用這些優(yōu)化措施之后,梳狀電容式加速度計(jì)的電路零位溫度漂移、機(jī)械零位溫度漂移都得到了明顯改善,加速度計(jì)零偏溫度系數(shù)由1.3mg/℃減小至0.5 mg/℃,加速度計(jì)在0g條件下的輸出穩(wěn)定性和輸出重復(fù)性達(dá)到0.1mg左右。