新型高g值壓阻式加速度計(jì)設(shè)計(jì)

許高斌，花 翔，杜林云，馬淵明，陳 興

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽省微電子機(jī)械系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，安徽合肥 230009)

0 引言

自從Roylance和Angell于1979年開發(fā)出壓阻式硅加速度計(jì)[1]以來，微機(jī)械壓阻式硅加速度計(jì)已被用于許多設(shè)備，包括汽車、便攜式電子設(shè)備等[2]。有多種MEMS硅加速度計(jì)技術(shù)可以檢測(cè)加速度，例如，電容式、壓阻式、壓電式、諧振式、光學(xué)式。其中，壓阻式加速度計(jì)具有低輸入阻抗、抗電磁干擾性強(qiáng)、高可靠性以及直流高頻響應(yīng)輸出等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)、車輛碰撞分析等領(lǐng)域。為了獲得更高的靈敏度，共振頻率、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及低交叉軸干擾，已經(jīng)發(fā)表的有多種用于高沖擊硅加速度計(jì)的獨(dú)特微結(jié)構(gòu)，包括懸臂結(jié)構(gòu)[1]、雙懸臂結(jié)構(gòu)[3]、黏結(jié)鉸鏈結(jié)構(gòu)[4]、雙支撐梁結(jié)構(gòu)[5]、懸浮敏感橋結(jié)構(gòu)[6]等。壓阻式懸臂梁加速度計(jì)具有諧振頻率較低、交叉軸影響大的缺點(diǎn)。

因此，近年來關(guān)于懸浮敏感梁結(jié)構(gòu)的研究正在積極進(jìn)行。相比較傳統(tǒng)的壓阻式硅加速度計(jì)(在硅支撐梁或懸臂梁的表面摻雜硼或磷形成壓敏電阻)，將質(zhì)量塊支撐梁與壓敏傳感梁放置在不同的區(qū)域，利用厚支撐梁提高機(jī)械強(qiáng)度，微小的敏感梁進(jìn)行檢測(cè)。這種結(jié)構(gòu)有助于提高頻率帶寬、靈敏度和機(jī)械可靠性。Suminto[7]提出了用于壓阻式加速度計(jì)的“自支撐壓阻敏感梁”結(jié)構(gòu)。該加速度計(jì)由若干敏感梁和用作彈簧的中央懸臂梁組成，具有高共振頻率和高靈敏度的特點(diǎn)。但是，當(dāng)加速度計(jì)受到外部沖擊，導(dǎo)致懸臂梁彎曲時(shí)，每個(gè)敏感梁的應(yīng)力變化根據(jù)其位置而不同。由于壓敏電阻的應(yīng)力變化與壓阻式加速度計(jì)的靈敏度成正比，因此各個(gè)敏感梁的不均勻應(yīng)力變化會(huì)降低加速度計(jì)的靈敏度[8]。Lee[9]提出一種對(duì)稱分布的敏感梁結(jié)構(gòu)，使得加速度計(jì)在受沖擊時(shí)，每個(gè)敏感梁上的應(yīng)力變化一致，提升了測(cè)量靈敏度。然而其設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有較高的交叉軸靈敏度，接近于主軸測(cè)量靈敏度的15%。

在本文中，提出了一種量程為2 000g的加速度計(jì)，采用微杠桿和雙邊4根支撐梁結(jié)構(gòu)。微杠桿的輸出端連接敏感梁，輸入端連接中心質(zhì)量塊，放大外部輸入的等效慣性力。由于壓敏電阻上應(yīng)力變化與壓阻式加速度計(jì)的靈敏度成正比，本文著重分析敏感梁上應(yīng)力變化。所提出的加速度計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 加速度計(jì)結(jié)構(gòu)3D示意圖

4個(gè)支撐梁雙邊對(duì)稱連接到質(zhì)量塊，當(dāng)對(duì)加速度計(jì)施加沖擊時(shí)，質(zhì)量塊平行地向上和向下移動(dòng)。質(zhì)量塊的這種平行移動(dòng)經(jīng)過微杠桿結(jié)構(gòu)放大之后，使得位于同一側(cè)的每個(gè)敏感梁的伸長(zhǎng)量或縮短量相同，結(jié)果位于同一側(cè)的敏感梁具有相同的應(yīng)力變化。對(duì)所提出的加速度計(jì)詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并使用有限元分析軟件對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬與仿真。設(shè)計(jì)了一套基于標(biāo)準(zhǔn)MEMS制造技術(shù)的加工工藝流程，并與玻璃襯底進(jìn)行陽極鍵合，提升穩(wěn)定性。

1 原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理與檢測(cè)

壓阻效應(yīng)指當(dāng)半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時(shí)，由于應(yīng)力引起能帶的變化，能谷的能量移動(dòng)，使其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象[10]。圖2給出了所提出的基于壓阻效應(yīng)的加速度計(jì)結(jié)構(gòu)正面示意圖。設(shè)計(jì)了I型主體結(jié)構(gòu)，使得中心質(zhì)量塊的4個(gè)角分別連接支撐梁，支撐梁另一端與外圍的框架結(jié)構(gòu)連接。壓阻敏感梁一端連接微杠桿結(jié)構(gòu)的輸出端，另一端與外框架連接。如圖1的放大部分所示，微杠桿結(jié)構(gòu)分別放置在質(zhì)量塊的上部和下部，構(gòu)成差分系統(tǒng)。它們?cè)诩铀俣扔?jì)的前表面形成懸掛，4個(gè)壓阻敏感梁對(duì)稱分布在兩邊。質(zhì)量塊、支撐梁和外圍結(jié)構(gòu)的厚度相同，以滿足加速度計(jì)的固有頻率需求。

圖2 加速度計(jì)結(jié)構(gòu)正視圖

如圖3所示，加速度計(jì)中有4個(gè)壓敏電阻(R1～R4)，當(dāng)外部沖擊作用于加速度計(jì)時(shí)，質(zhì)量塊在敏感軸上下移動(dòng)(z軸)，將外界加速度轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃T性力作用于微杠桿，通過微杠桿結(jié)構(gòu)增大敏感梁上的應(yīng)力變化。當(dāng)外界加速度向下作用，上部微杠桿中R1和R4壓阻敏感梁被拉長(zhǎng)，導(dǎo)致R1和R4的電阻增加；下部微杠桿中的R2和R3壓阻敏感梁被壓縮，導(dǎo)致電阻減小。反之外界加速度向上作用，則上部電阻減小，下部電阻增大。

圖3 惠斯登電橋測(cè)量電路示意圖

4個(gè)電阻通過表面金屬電極相互連接形成惠斯登電橋電路，見圖3。輸出和輸入電壓的比率可表示為

(1)

如果每個(gè)敏感梁的電阻變化遠(yuǎn)小于初始電阻，則可以忽略二階因子，并且方程(1)也可以表示為

(2)

靈敏度S定義為標(biāo)稱VDD電壓下，每單位輸入加速度作用下輸出電壓的變化，結(jié)合式(2)可得靈敏度計(jì)算公式為

(3)

式中a為外界輸入加速度值，m/s2。

1.2 微杠桿原理與設(shè)計(jì)

微杠桿結(jié)構(gòu)主要包括4部分：輸入梁、輸出梁、支點(diǎn)梁和杠桿臂(剛性部分)[11]。圖4所示為杠桿簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)受力示意圖：Fin為微杠桿輸入端輸入的力；Fout為經(jīng)過微杠桿放大之后輸出端的力；L為動(dòng)力臂(支點(diǎn)梁和輸入系統(tǒng)之間)長(zhǎng)度；l為阻力臂(支點(diǎn)梁和輸出系統(tǒng)之間)長(zhǎng)度。

圖4 杠桿受力結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)力平衡和力矩平衡得到微杠桿放大倍數(shù)公式[12]：

(4)

由式(4)可知增加微杠桿放大倍數(shù)方式有：增大杠桿比(L/l),增大支撐梁和輸出梁的軸向剛度，即kvo、kvp的值，減小支點(diǎn)梁與輸出梁的橫向剛度，即kθo、kθp的值。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，需要進(jìn)行折中，如增大杠桿比會(huì)增大器件尺寸，軸向剛度與橫向剛度之間需要平衡。在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的情況下，將支點(diǎn)梁與輸出梁設(shè)計(jì)的盡可能細(xì)長(zhǎng)，以減小橫向剛度。雖然多級(jí)微杠桿結(jié)構(gòu)可在有限的空間內(nèi)進(jìn)一步提高放大系數(shù)，但是隨著微杠桿級(jí)數(shù)的增加，整個(gè)系統(tǒng)的彈性常數(shù)降低，對(duì)整體結(jié)構(gòu)剛度有較大的影響，不適用高沖擊加速度計(jì)。

本文設(shè)計(jì)單級(jí)微杠桿結(jié)構(gòu)如圖5所示，輸入梁另一端連接質(zhì)量塊。為了提升微杠桿結(jié)構(gòu)交叉軸剛度，增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)將同一側(cè)的兩個(gè)微杠桿連接成整體，充分利用對(duì)稱性得到兩邊壓阻敏感梁上一致的應(yīng)力分布變化。使用有限元分析軟件對(duì)加速度計(jì)施加加速度時(shí)，微杠桿受力情況如圖6所示，可以看到同一邊的2個(gè)壓阻敏感梁受力情況具有良好的一致性，達(dá)到提升測(cè)量靈敏度目的。

圖5 對(duì)稱連接微杠桿結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 微杠桿結(jié)構(gòu)受力仿真圖

高沖擊加速度計(jì)需要高靈敏度，高可靠性，低橫向靈敏度和寬頻率范圍，最佳設(shè)計(jì)旨在獲得滿足上述要求所需的加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸。利用數(shù)值模擬方法結(jié)合有限元分析軟件，對(duì)加速度計(jì)包括微杠桿結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。加速度計(jì)的中心質(zhì)量塊尺寸長(zhǎng)寬厚為700 μm×700 μm×200 μm，兩邊支撐梁尺寸長(zhǎng)寬厚為200 μm×40 μm×200 μm。微杠桿的杠桿臂寬度尺寸需要保證杠桿臂是剛性梁，因此將杠桿臂寬度設(shè)置80 μm，長(zhǎng)度為600 μm，杠桿比(L/l)為0.5，因此合理的設(shè)計(jì)尺寸可以將輸入力放大2倍，加速度計(jì)的測(cè)量靈敏度能夠大幅度提升。對(duì)微杠桿結(jié)構(gòu)的厚度進(jìn)行模擬，在施加同樣加速度情況下，不同厚度對(duì)壓阻敏感梁應(yīng)力分布影響如圖7所示。

圖7 厚度對(duì)微杠桿敏感梁上應(yīng)力分布影響

從應(yīng)力分布圖可看出除去接觸部分，壓阻敏感梁上應(yīng)力分布較均勻。微杠桿結(jié)構(gòu)厚度的增加會(huì)減小應(yīng)力的值，降低靈敏度，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)厚度增加可以提升整體剛度和穩(wěn)定性，增大加速度計(jì)諧振頻率，降低交叉軸敏感，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)厚度7 μm，壓阻敏感梁的尺寸長(zhǎng)寬厚為15 μm×4 μm×7 μm。

2 仿真分析

2.1 靜態(tài)仿真

利用COMSOL有限元分析軟件對(duì)加速度計(jì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力仿真，分析外界施加加速度值與壓阻敏感梁上應(yīng)力變化關(guān)系。如圖8所示，在敏感軸方向施加2 000g加速度時(shí)，加速度計(jì)整體結(jié)構(gòu)受最大應(yīng)力為20.9 MPa，遠(yuǎn)小于材料斷裂應(yīng)力；如圖9所示，整體結(jié)構(gòu)發(fā)生微小形變，最大位移為5.39×10-3μm;如圖10所示,壓阻敏感梁上應(yīng)力分布較均勻，均值為0.9×107Pa，即9 MPa。與傳統(tǒng)將微型敏感梁直接與質(zhì)量塊和外框架相連接的結(jié)構(gòu)相比，設(shè)計(jì)的微杠桿結(jié)構(gòu)確實(shí)將敏感梁上應(yīng)力分布均值提升2倍。

圖8 加速度計(jì)受2 000g加速度時(shí)靜態(tài)受力圖

圖9 加速度計(jì)受2 000g加速度時(shí)形變位移圖

圖10 加速度計(jì)受2 000g加速度時(shí)敏感梁應(yīng)力分布

對(duì)于交叉軸靈敏度，仿真分析可得在2 000g加速度輸入下，方向?yàn)閄軸時(shí)，壓阻敏感梁上應(yīng)力分布均值為3.4 kPa，近似為敏感軸Z向應(yīng)力均值的3.8%；方向?yàn)閅軸時(shí)，壓阻敏感梁上應(yīng)力分布均值為4.2kPa，近似為敏感軸Z向應(yīng)力均值的4.6%，交叉軸靈敏度均小于敏感軸靈敏度的5%，可以忽略影響，顯著提升測(cè)量精度。

當(dāng)外界輸入20 000g加速度時(shí)，仿真表明整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為209 MPa，小于硅材料的失效極限應(yīng)力9 GPa的3%，故所設(shè)計(jì)的加速度計(jì)結(jié)構(gòu)能夠承受10倍于量程的加速度輸入，具有良好的可靠性。

2.2 模態(tài)分析與諧響應(yīng)仿真

利用ANSYA有限元仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的壓阻加速度計(jì)進(jìn)行工作模態(tài)仿真，結(jié)果如圖11所示，得到加速度計(jì)的一階工作模態(tài)頻率近似為294 kHz，其他模態(tài)頻率如表1所示。

圖11 加速度計(jì)一階模態(tài)仿真圖

表1 加速度計(jì)前四階模態(tài)頻率

由表1可知，一階與二階模態(tài)頻率相差100 kHz左右，故設(shè)計(jì)的加速度計(jì)具有很高的頻率帶寬。在ANSYS仿真軟件中，對(duì)加速度計(jì)施加沿著敏感軸方向的加速度載荷，設(shè)置頻率范圍為250～310 kHz進(jìn)行諧響應(yīng)分析。如圖12所示，曲線在頻率接近294 kHz位置發(fā)生諧振，達(dá)到最高峰。

圖12 加速度計(jì)諧響應(yīng)曲線

3 制造工藝流程

(a)表面生長(zhǎng)SiO2

(b)進(jìn)行硼摻雜

(c)沉積金屬電極

(d)刻蝕形成微杠桿

(e)背面垂直-深反應(yīng)離子刻蝕

(f)玻璃襯底陽極鍵合圖13 加速度計(jì)制造工藝流程

設(shè)計(jì)了基于標(biāo)準(zhǔn)MEMS制備工藝的壓阻式硅加速度計(jì)加工工藝流程圖，如圖13所示。加速度計(jì)采用4英寸(1英寸=2.54 cm)絕緣體上硅(SOI)晶圓制造，晶圓從頂部到底部順序堆疊為硅、二氧化硅和硅。首先在晶片表面生長(zhǎng)900 nm厚的二氧化硅(SiO)層，如圖13(a)所示，使用光刻法對(duì)SiO2進(jìn)行圖案化，并且通過反應(yīng)離子蝕刻對(duì)開放的光刻膠下二氧化硅層進(jìn)行干法蝕刻，形成離子擴(kuò)散窗口。然后離子注入硼離子，摻雜濃度為4×1017/cm3，形成p型壓電電阻，見圖13(b)。在圖13(c)所示的步驟中，使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積在晶片表面沉積薄二氧化硅層作為介電層。然后，通過光刻和二氧化硅蝕刻工藝打開接觸窗口進(jìn)行金屬層的連續(xù)沉積和圖案化工藝。使用濺射系統(tǒng)將Al層沉積在晶片的頂表面上，與硼摻雜的壓電電阻層形成歐姆接觸。然后通過電子束蒸發(fā)器連續(xù)沉積Ti和Au層并對(duì)其進(jìn)行圖案化以形成電極。圖13(d)所示的蝕刻步驟用于形成微杠桿結(jié)構(gòu)。之后對(duì)晶片進(jìn)行背面加工，利用垂直蝕刻-深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)刻硅，然后使用相同的設(shè)備刻蝕掩埋的SiO2，形成中心質(zhì)量塊與4根支撐梁，見圖13(e)。最后將晶片與準(zhǔn)備好的玻璃襯底進(jìn)行陽極鍵合，見圖13(f)。通過所示的加工工藝步驟完成硅加速度計(jì)芯片的制造。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種新型高g值的壓阻式加速度計(jì)，采用微杠桿結(jié)構(gòu)和自支撐壓阻敏感梁結(jié)構(gòu)，放大在輸入加速度時(shí)壓阻敏感梁上的應(yīng)力變化，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比應(yīng)力放大2倍，由于壓敏電阻的應(yīng)力變化與壓阻式加速度計(jì)的靈敏度成正比，使得在2 000g的量程內(nèi)大幅提升測(cè)量精度。該加速度計(jì)具有高的諧振頻率，達(dá)到294 kHz，具有低的交叉軸敏感，敏感梁上應(yīng)力變化分別為敏感軸時(shí)應(yīng)力變化的3.8%(X軸)、4.6%(Y軸)。加速度計(jì)最高可承受20 000g的外部沖擊，具有高可靠性。本設(shè)計(jì)為高精度高g值壓阻式加速度計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供了一種可行方案。