圓片級封裝全硅梳齒電容式MEMS加速度計設(shè)計

牛昊彬，孫國良，王帥民，張方媛

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

MEMS 加速度計具有體積小、成本低、功耗小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、汽車和工業(yè)控制領(lǐng)域的加速度、振動、沖擊和傾角等測試[1]，是小型化慣性測量單元的核心組件。MEMS 加速度計按照檢測原理的不同有電容式、壓阻式、諧振式、光學(xué)類、隧道電流式等[2]，其中電容檢測由于具有良好的靈敏度、溫度特性和動態(tài)特性，被中高端MEMS加速度計廣泛采用。

電容式MEMS 加速度計通常采用面外運(yùn)動的平板電容結(jié)構(gòu)或者面內(nèi)運(yùn)動的梳齒電容結(jié)構(gòu)[2-4]。相比梳齒電容結(jié)構(gòu)的MEMS 加速度計，平板電容結(jié)構(gòu)的MEMS 加速度計通常采用較大的敏感質(zhì)量，機(jī)械靈敏度較高，有利于獲得高精度。然而，隨著深反應(yīng)離子刻蝕（Deep Reactive Ion Etching，DRIE）技術(shù)和電路水平的提升，這種優(yōu)勢正在減弱。如今，梳齒結(jié)構(gòu)的電容式MEMS 加速度計由于具備更優(yōu)的過載能力和設(shè)計靈活性，正逐漸成為中高端MEMS 加速度計結(jié)構(gòu)設(shè)計的另一種選擇[4]。

本文給出了一種高精度梳齒電容式MEMS加速度計的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝實(shí)現(xiàn)和性能測試，其特點(diǎn)為采用了圓片級封裝的全硅工藝方案，整表具備良好的封裝形態(tài)和性能，適合小型化慣性測量單元集成。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文中加速度計的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖1所示，其由錨點(diǎn)、U型彈性梁、固定梳齒、可動梳齒和“日”字型的質(zhì)量框組成，可動梳齒與“日”字型質(zhì)量框共同構(gòu)成加速度計的敏感質(zhì)量。當(dāng)受到水平向的外部加速度時，敏感質(zhì)量將在水平方向移動，與左右對稱布置的固定梳齒形成差分電容。

加速計為典型的二階系統(tǒng)，系統(tǒng)方程為

其中，m為敏感質(zhì)量，x為敏感質(zhì)量的位移，b為結(jié)構(gòu)粘性阻尼系數(shù)，k為彈性梁剛度，a為外部加速度。

式(1)可等效為

常值加速度輸入穩(wěn)定后，式(2)可簡化為

可見，敏感質(zhì)量和彈性梁剛度決定了加速度計的靈敏度，而選擇相對較小的梳齒間隙則有利于提高單位輸入下的差分電容變化量，從而有利于提高加速度計的電容靈敏度和信噪比。在閉環(huán)工作模式下，反饋電壓產(chǎn)生的靜電力對慣性力的平衡能力決定了加速度計的量程，其由基礎(chǔ)電容、梳齒間隙、敏感質(zhì)量和反饋電壓等共同決定?；谏鲜隹紤]和實(shí)際工藝能力約束，本文加速度計結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)設(shè)計如表1。結(jié)構(gòu)有限元仿真結(jié)果顯示該加速度計一階諧振頻率為1918.46Hz，工作模態(tài)如圖2。

表1 主設(shè)計參數(shù)Tab.1 Maindesignparameters

圖2 加速度計一階模態(tài)Fig.2 The first modeof theaccelerometer

噪聲水平是衡量加速度計性能潛力的重要指標(biāo)，本文中加速度計采用常壓封裝，其理論機(jī)械噪聲水平

式(4)中KB為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。

2 工藝實(shí)現(xiàn)

本文加速度計采用三層全硅工藝方案，其剖面示意圖如圖3，由上層蓋板、中間結(jié)構(gòu)層和下層電極引出層組成。其中，電極引出層的硅通孔有兩種類型，一種用以敏感質(zhì)量和固定梳齒的錨點(diǎn)電信號引出（圖3左孔），另一種用以電極層、蓋板和結(jié)構(gòu)層外圈密封結(jié)構(gòu)的接地（圖3右孔）。

圖3 剖面示意圖Fig.3 Structural cross-section diagram of the accelerometer

本文中加速度計采用圓片級硅-硅鍵合封裝，該工藝對圓片表面質(zhì)量要求較高，在流片過程中有必要對硅片表面進(jìn)行保護(hù)，避免損傷或污染。基于此，本文加速度計的工藝流程設(shè)計如圖4。

圖4 工藝流程Fig.4 Process flow of theaccel erometer

首先制作用以芯片封裝的蓋板和用以電信號引出的電極引出層。

選用100晶向p型硅片，采用熱氧工藝在硅片表面氧化一層厚度約8000? 的SiO2；采用該SiO2層作為濕法腐蝕的掩膜，利用KOH 溶液在其中一面腐蝕出一個深度約20μm 的空腔，此即蓋板。將蓋板表面剩余的SiO2漂洗干凈備用。

另取一氧化片，以SiO2層為掩膜，采用DRIE 工藝刻蝕出深度約80μm的盲孔和間隙；將圓片去膠、清洗并沉積一層厚度約800? 的Si3N4；以該Si3N4膜層為掩膜，從圓片的另一面采用KOH 溶液濕法腐蝕錐形孔直至與干法刻蝕的盲孔貫穿，形成導(dǎo)通孔；去除剩余的Si3N4和SiO2膜層，然后采用熱氧工藝在圓片及導(dǎo)通孔表面制備一層厚度約2μm的SiO2絕緣層，此即電極引出層圓片。

將電極引出層圓片與一50-1-300μm 的SOI片的結(jié)構(gòu)層硅-硅鍵合，然后采用干法刻蝕去除SOI片的支撐層，再將埋層的SiO2漂洗干凈，完成圓片減?。粚p薄后的圓片清洗、光刻、干法刻蝕，完成加速度計敏感結(jié)構(gòu)制作。將刻蝕完成的圓片去膠、清洗，并與準(zhǔn)備好的蓋板圓片硅-硅鍵合，完成加速度計芯片的圓片級封裝；最后采用反應(yīng)離子刻蝕將接地孔中的SiO2刻蝕干凈，蒸鍍Al完成引線電極制作。

圖5 V191101號圓片芯片測試結(jié)果Fig.5 Chiptest results of wafer 5V191101

流片完成的圓片先進(jìn)行芯片篩選，測試合格后方可與電路一起封裝成整表。本文加速度計芯片篩選采用質(zhì)量塊可動性測試方法[5]。圖5是一典型圓片的芯片測試結(jié)果統(tǒng)計，圓片上共有308只加速度計芯片，其中合格芯片198只，合格率約68%。圖6為劃片后加速度計芯片實(shí)物，尺寸約4×4×0.85mm3。

圖6 加速度計芯片實(shí)物Fig.6 The accelerometer chips

3 性能測試

本文加速度計電極引出層為硅材料，其與結(jié)構(gòu)層間的SiO2絕緣層厚度約2μm，錨點(diǎn)、電極引線與電極引出層間存在較大的寄生電容，其簡化模型如圖7，其中C1和C2為有效電容，Cm-g為敏感質(zhì)量錨點(diǎn)及其電極引線與電極引線層間的寄生電容，Cp1和Cp2為固定梳齒及其引線與電極引線層間的寄生電容。為了消除寄生電容的影響，芯片使用時須將電極G 接地。

圖7 寄生電容模型Fig.7 Parasitic capacitance model

為了對本文加速計的性能進(jìn)行評估，隨機(jī)抽取8只合格加速度計芯片與模擬ASIC電路低應(yīng)力陶瓷管殼封裝（如圖8），封裝尺寸為12.7×12.7×3.25mm3。

圖8 加速度計陶瓷管殼封裝Fig.8 The accelerometer packaged in cera micshell

使用加速度計測試系統(tǒng)對該8 只加速度計的零偏、標(biāo)度因數(shù)等技術(shù)和性能指標(biāo)進(jìn)行測試。

1）常溫條件下，采用四點(diǎn)法測試加速度計的零偏和標(biāo)度因數(shù)。

測試結(jié)果如表2，8 只加速度計的零偏均小于200 mg，標(biāo)度因數(shù)約80 mV/g，量程大于±50g。

表2 零偏和標(biāo)度因數(shù)Tab.2 Zero deviation and scale factor of the accelerometers

2）常溫條件下，測試加速度計的0g輸出穩(wěn)定性。

測試時間為1 h，8 只加速度計的0g輸出穩(wěn)定性均小于100 μg（1σ）。圖9為1#加速度計上電1 h 的輸出曲線。

圖9 1#加速度計0 g 穩(wěn)定性Fig.9 Stability of No.1 accelerometer at 0 g

3）常溫條件下，測試加速度計的零偏和標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性。

一次通電條件下，連續(xù)測試7 次四點(diǎn)法，計算每次四點(diǎn)法加速度計的零偏和標(biāo)度因數(shù)，取7 次測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差，得8 只加速度計的零偏和標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性如表3。該8 只加速度計的零偏穩(wěn)定性均優(yōu)于100 μg（1σ），標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性均小于30 ppm。

4）常溫條件下，測試加速度計的零偏和標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性。

常溫保溫1 h，采用四點(diǎn)法測試得到加速度計的零偏和標(biāo)度因數(shù)，然后斷開加速度計電源，1 h 后重新上電，進(jìn)行第2 次四點(diǎn)法測試，如此重復(fù)測試7 次。求得7 次測試零偏和標(biāo)度因數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，得8 只加速度計的零偏和標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性，結(jié)果如表4。該8 只加速度計的零偏重復(fù)性均優(yōu)于100 μg（1σ），標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性均小于30 ppm。

表3 零偏和標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性Tab.3 Zero deviation and scale factor stability

表4 零偏和標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性Tab.4 Zero deviation and scale factor repeatability of the accelerometer

5）溫度滯環(huán)測試。

將加速度計置于 0g位置，測試加速度計在-40 °C～+70 °C 升降溫過程中的輸出，8 只加速度計的零偏全溫漂移均小于20 mg。典型的溫度滯環(huán)曲線如圖10所示，該加速度計的零偏全溫變化約為18 mg，最大滯環(huán)小于1 mg。

圖10 溫度滯環(huán)曲線Fig.10 Temperature hysteresis curve of the accelerometer

4 結(jié) 論

本文介紹了一種圓片級封裝的全硅梳齒電容式MEMS 加速度計的設(shè)計、制造和測試。小批量測試結(jié)果顯示該加速度計標(biāo)度因數(shù)約80 mV/g，0g輸出穩(wěn)定性優(yōu)于100 μg（1σ），短期零偏穩(wěn)定性和重復(fù)性均優(yōu)于100 μg（1σ），-40 °C～+70 °C 范圍內(nèi)的零偏漂移小于20 mg。該加速度計形態(tài)優(yōu)異，性能良好，能夠滿足小型化慣性測量單元的集成需求，具備較廣的應(yīng)用潛力。