一種用于MEMS陀螺儀的隔振平臺及其結構設計

許高斌, 楊海洋, 王超超, 馬淵明, 陳 興

(合肥工業(yè)大學 電子科學與應用物理學院,安徽 合肥 230601)

外部環(huán)境的振動對MEMS器件的性能有著非常重大的影響,是造成MEMS器件產(chǎn)生輸出誤差甚至失效的主要因素。由于大多數(shù)MEMS器件的輸出依賴于其內(nèi)部微結構中的動態(tài)位移或應力的測量,外部環(huán)境的振動會引起內(nèi)部敏感結構的位移或應變從而產(chǎn)生不可預測的輸出誤差，輸出誤差可分為以下3種:

(1) 零位偏移。當沒有任何傳感測量輸入時MEMS器件對于外部環(huán)境振動產(chǎn)生響應從而產(chǎn)生的輸出為零位偏移。文獻[1]測試了MEMS加速度計在振動臺面上的輸出特性,測試結果表明，當隨機振動為10.6g時,其加速度計的零偏量值高達0.9g。一種商用MEMS陀螺儀(LPY 510AL)在14g的振動環(huán)境下其零位偏移變化為14%～19%,且由于振動其輸出信號十分飽和，很難分離噪聲[2]。

(2) 靈敏度變化(刻度因子變化)。在傳感測量輸入的條件下,外部環(huán)境振動引發(fā)傳感器內(nèi)部敏感結構振動從而使靈敏度發(fā)生改變。例如，在10g振動下薄膜壓電式壓力傳感器發(fā)生了顯著的靈敏度變化(10%～12%)[3],MEMS 陀螺儀隨著振動強度與振動時間的增加其刻度因子顯著降低[2]。

(3) MEMS器件結構損壞。長期的環(huán)境振動造成器件內(nèi)部微結構的往復運動導致疲勞失效的產(chǎn)生，同時在較大振動應力下,還會引發(fā)鍵合引線的脫落或梁的斷裂，造成MEMS器件失效[4]。

輸出誤差對高Q值高諧振MEMS器件如陀螺儀、諧振式傳感器的影響尤其大,因為其內(nèi)部低阻尼會放大誤差在諧振頻率帶寬處的影響[5],且由于誤差的不可預測性從而很難進行電子補償。因此對MEMS器件隔振的研究對于提高MEMS器件的性能與可靠性具有重要意義。

目前MEMS器件的隔振一般采用將MEMS器件及其他電子元件的組件共同外置“大尺寸”的隔振平臺或者阻尼器進行隔振,然而這種系統(tǒng)級的隔振方法會增大隔振平臺質(zhì)量及尺寸[6-7]。這種限制可以通過采用微結構化的隔振平臺與MEMS器件集成來解決,即“圓片級的隔振平臺”。從隔振的工作原理看,隔振可分為被動隔振與主動隔振,被動隔振一般采用附加子系統(tǒng)(彈簧和阻尼器)將振源與需隔振的結構或系統(tǒng)隔離,以減小結構或系統(tǒng)的振動,具有結構簡單、工作可靠、不依賴電源、不消耗附加能量等特點；主動隔振是指采用由致動器和控制器組成的控制系統(tǒng)(通常為閉環(huán)控制)以抑制結構或系統(tǒng)的振動,它在復合激勵環(huán)境下具有較強的抗干擾能力,具有很高的隔振精度。然而主動隔振往往結構復雜，工藝上難以實現(xiàn),需要額外的供電、會增加器件的功耗[8],且控制系統(tǒng)中的引線或金屬薄膜及電容由于耦合效應存在會造成輸出誤差。

本文采用質(zhì)量-彈簧-阻尼結構的被動隔振系統(tǒng)。通過理論分析結構參數(shù)對隔振性能及集成隔振平臺對MEMS陀螺儀性能的影響,確立隔振平臺的設計準則;設計了一種用于MEMS陀螺儀的單層及雙層隔振結構及其制備工藝流程,通過ANSYS仿真驗證隔振平臺結構設計的可靠性及合理性。

1 理論分析與設計

1.1 理論模型

集成和未集成MEMS器件的隔振平臺示意圖如圖1所示。

圖1中:(md,kd,cd)、(m1,k1,c1)、(m2,k2,c2)分別為MEMS器件、第1層隔振平臺及第2層隔振平臺的質(zhì)量、彈簧剛度及阻尼系數(shù);xd、x1、x2分別為Kd、K1、K2等彈簧位移;yd、y1、y2分別為md、m1、m2的絕對位移。

圖1 集成和未集成MEMS器件的隔振平臺示意圖

圖1a所示為單層隔振平臺及集成MEMS器件的單層隔振平臺,在簡諧激勵y0下單層隔振平臺的傳遞率[9]可以表示為:

(1)

其中:Y1、Y0分別為y1、y0的振幅;r為外界激勵頻率w與系統(tǒng)固有頻率w1之比,r=w/w1;ζ為阻尼比,ζ=c1/(2m1w1)。

圖1a中集成了MEMS器件的單層隔振平臺,其動力學控制方程[10-11]為:

(2)

對(2)式進行拉普拉斯變換可得:

(3)

由(3)式可得:

xd/x0=(-mdc1s3-k1mds2)/[mdm1s4+

(mdcd+mdc1+m1cd)s3+(mdkd+mdk1+

m1kd+cdc1)s2+(cdk1+c1kd)s+kdk1]

(4)

其中:Xd、X1、X0分別為xd、x1、x0的拉普拉斯變換;s=jw。

圖1b所示為集成了MEMS器件的雙層隔振平臺,其動力學控制方程可表示為:

(5)

對(5)式進行拉普拉斯變換可得:

(6)

傳遞率是衡量隔振系統(tǒng)隔振性能的一個重要指標,它用于衡量外界環(huán)境振動通過隔振平臺傳遞到MEMS器件的程度[12]。本文傳遞率定義為MEMS器件中彈簧位移xd與外界環(huán)境振動位移x0之比,即xd/x0。

本文以文獻[13]中的陀螺儀作為示例進行隔振,示例陀螺儀諧振頻率為6.8 kHz,Q值約為8 500。

集成單、雙層隔振平臺及不同諧振頻率下的單層隔振平臺陀螺儀傳遞率曲線如圖2所示。

圖2a所示為示例陀螺儀、集成單層隔振平臺陀螺儀及集成雙層隔振平臺陀螺儀在頻率響應下的傳遞率曲線。圖2b所示為集成不同諧振頻率下的單層隔振平臺的陀螺儀在頻率響應下的傳遞率曲線。由圖2a可知,雙層隔振平臺比單層隔振平臺傳遞率低,同時隔振平臺的諧振頻率越低,其傳遞率越低,即隔振效果越好。由圖2b可知,集成隔振平臺后陀螺儀的諧振頻率發(fā)生了偏移,但集成雙層隔振平臺陀螺儀與集成單層隔振平臺陀螺儀的諧振頻率幾乎一致,同時單層隔振平臺的諧振頻率越低,其頻率偏移值越小。

1.2 MEMS陀螺儀隔振平臺設計準則

隔振平臺的設計目標主要是在減小隔振系統(tǒng)的傳遞率同時最小化集成隔振平臺對MEMS陀螺儀的影響。集成隔振平臺將從2個方面影響器件性能:① 集成隔振平臺導致MEMS陀螺儀諧振頻率的改變;② 集成隔振平臺會降低MEMS陀螺儀的Q值。

表明集成隔振平臺對MEMS陀螺儀諧振頻率改變的公式為:

(7)

其中,Wd,0、W1,0分別為MEMS陀螺儀與單層隔振平臺的諧振頻率。

集成隔振平臺后的MEMS陀螺儀與隔振平臺的諧振頻率可表示為:

(8)

其中,Wd,n、W1,n分別為集成隔振平臺后MEMS陀羅儀與單層隔振平臺的諧振頻率。

在(8)式中S被定義為:

(9)

當

(10)

(8)式可簡化為:

(11)

由(11)式可得,當滿足(10)式時,MEMS陀螺儀與單層隔振平臺的諧振頻率在集成前后沒有發(fā)生改變。為滿足(10)式應盡可能增大m1的質(zhì)量,這也解釋了在圖2a中為什么集成MEMS陀螺儀的單層隔振平臺與集成MEMS陀螺儀的雙層隔振平臺的諧振頻率幾乎一致,因為在以上隔振平臺，其m1的質(zhì)量是相同的。

不同m1/md比值下陀螺儀諧振頻率的偏移值(集成隔振平臺的陀螺儀諧振頻率與未集成隔振平臺陀螺儀諧振頻率之間的差值)如圖3所示,從圖3可以看出,隨著比值的增大，其諧振頻率偏移值減小，即m1的質(zhì)量越大，集成隔振平臺對MEMS陀螺儀諧振頻率的改變越小。

圖3 不同m1/md比值下陀螺儀諧振頻率偏移值

集成隔振平臺對MEMS陀螺儀的另一個不利影響是:若隔振平臺的Q值不夠高,則會產(chǎn)生較高的能量損耗,導致MEMS陀螺儀的Q值降低,從而降低MEMS陀螺儀的性能。影響Q值變化的關鍵參數(shù)及集成隔振平臺后Q值的計算公式[14]為：

(12)

其中,Qd、Q1分別為MEMS陀螺儀與隔振平臺的Q值。根據(jù)(6)式、(7)式、(15)式可得出MEMS陀螺儀及集成隔振平臺MEMS陀螺儀的傳遞率曲線，如圖4所示。

圖4 集成隔振平臺后Δf0及Qd,a的計算

根據(jù)圖4得到集成隔振平臺的MEMS陀螺儀Q值(Qd,a)的計算公式為:

(13)

由圖4、(13)式可求出隔振平臺的Q1值對MEMS陀螺儀Qd值的影響。

不同Q1值與當Q1值不變時，不同m1/md比值下集成隔振平臺的陀螺儀Qd,a值與陀螺儀Qd的比值關系如圖5所示。

由圖5可知,當隔振平臺的Q1值越大，Qd,a與Qd的比值百分比越大，即隔振平臺的Q1值對MEMS陀螺儀Qd值的影響越小;當Q1值一定時,隨著m1/md比值的增大,Qd,a與Qd的比值百分比越大,即隔振平臺m1的質(zhì)量越大,隔振平臺的Q1值對MEMS陀螺儀Qd值的影響越小。

圖5 隔振平臺Q值及其m1/md對MEMS陀螺儀Q值的影響

綜上所述,可以得到以下結論:

(1) 集成隔振平臺可有效隔離外界環(huán)境振動,且集成雙層隔振平臺比集成單層隔振平臺的隔振效果好,單層隔振平臺的諧振頻率越低,其傳遞率越低,即隔振效果越好。

(2) 集成隔振平臺會改變MEMS陀螺儀的諧振頻率,當m1質(zhì)量足夠大時,集成雙層隔振平臺與集成單層隔振平臺陀螺儀的諧振頻率幾乎一致。

(3) 增大隔振平臺m1的質(zhì)量可降低陀螺儀諧振頻率的偏移值(集成單層隔振平臺的陀螺儀諧振頻率與未集成隔振平臺陀螺儀諧振頻率之間的差值)

(4) 隔振平臺Q1值越大對MEMS陀螺儀Qd值影響越小,但對于Q1值一定的隔振平臺,可通過增大隔振平臺m1的質(zhì)量,減少對MEMS陀螺儀Qd值的影響。

通過增大隔振平臺m1的質(zhì)量可以得到如下3點:① 降低隔振平臺的諧振頻率,從而降低傳遞率,提高隔振效果;② 降低MEMS陀螺儀諧振頻率的偏移值,可最小化集成隔振平臺對MEMS陀螺儀諧振頻率的影響;③ 對于Q1一定的隔振平臺,增大m1的質(zhì)量可減少隔振平臺對MEMS陀螺儀Qd值的影響。

2 隔振平臺的設計及結構

2.1 隔振平臺的設計

由上文研究可知,隔振平臺的設計應降低隔振平臺的諧振頻率及增大隔振平臺m1的質(zhì)量。MEMS陀螺儀集成隔振平臺的示意圖如圖6所示。

圖6 集成單層及雙層隔振平臺MEMS陀螺儀示意圖

隔振平臺結構包含隔振平臺、隔振梁、金屬過渡層、硅基底。其中隔振平臺質(zhì)量是指與陀螺儀質(zhì)量直接相連的其他質(zhì)量塊質(zhì)量(圖1b)。隔振平臺由玻璃基片與底層硅鍵合制作而成,示例MEMS陀螺儀采用SOG(silicon-on-glass)工藝制備而成,TGV通孔引線用于陀螺儀電學信號的引出。隔振梁位于器件封裝的外部,通過金屬過渡層與硅基底上的凸臺共晶鍵合。采用以上設計不僅可以實現(xiàn)內(nèi)置隔振平臺的圓片級封裝,還可以實現(xiàn)隔振平臺的級聯(lián),從而實現(xiàn)雙層隔振,大大抑制外界環(huán)境振動,同時由于玻璃具有較低的導熱系數(shù),還可實現(xiàn)外部熱隔離,從而降低外界溫度對MEMS陀螺儀的影響。雙層隔振平臺可采用單層隔振平臺的制造工藝,將第1層與第2層隔振梁集成在單個硅片上制作。

隔振平臺的質(zhì)量遠大于陀螺儀質(zhì)量,因此在降低隔振平臺諧振頻率、提高隔振效果的同時，使集成隔振平臺對MEMS陀螺儀性能的影響最小化。集成隔振平臺從諧振頻率與Q值2個方面對MEMS陀螺儀性能造成一定影響,采用文獻[13]中的陀螺儀(諧振頻率為6.8 kHz,Q值約為8 500)作為示例進行隔振,采用如圖6所示的隔振平臺，通過上文的理論與公式分析可得，集成隔振平臺MEMS陀螺儀諧振頻率的偏移值約為12 Hz,當采用較小Q值的隔振平臺時,集成隔振平臺MEMS陀螺儀的Q值最大降低了約3.2%,因此集成隔振平臺對MEMS陀螺儀諧振頻率影響較小,同時采用較大Q值的隔振平臺，繼續(xù)增大MEMS陀螺儀的Q值從而優(yōu)化其性能。

2.2 隔振平臺結構設計

本文提出單層與雙層隔振平臺結構如圖7所示。

圖7 單層及雙層隔振平臺結構

第1層與第2層隔振梁均采用L型梁,L型梁能在較小的空間內(nèi)加工出較長的梁,因而可以在減小隔振平臺面積的同時降低其諧振頻率[15-16]。

隔振梁的尺寸參數(shù)見表1、表2所列,單層隔振平臺整體結構尺寸為8.15 mm×8.15 mm×1.00 mm,雙層隔振平臺整體結構尺寸為10.51 mm×10.51 mm×1.00 mm。

表1 單層隔振平臺隔振梁尺寸 單位:mm

表2 雙層隔振平臺隔振梁尺寸 單位:mm

由上述理論分析研究可知，隔振平臺的諧振頻率越低,其隔振效果越好。單層與雙層隔振平臺ANSYS模態(tài)與結構靜力仿真[17]如圖8所示。

從仿真結果可以看出:單層隔振平臺與雙層隔振平臺的諧振頻率分別為569.11、407.24 Hz,遠小于MEMS陀螺儀的諧振頻率,因此可以實現(xiàn)更高頻率的振動隔離;單層隔振平臺與雙層隔振平臺所受的最大應力分別為 1.896、1.080 MPa,最大位移分別為0.778、1.546 μm,遠遠小于硅的斷裂應力(0.8～1.0 GPa)及上層硅與硅基底之間的間距(350 μm)。因此由仿真結果可知,此隔振結構的設計是合理且可靠的。

3 隔振平臺制備工藝流程

在隔振平臺制備過程中將用到如下材料:P型(100)雙面拋光硅片、pyrex 7740玻璃基片、P型(100)襯底硅片各1片。其中雙面拋光硅片電阻率為0.01 Ω·cm,P型襯底硅的電阻率為10～20 Ω·cm。以上所用的硅片與玻璃晶片均為500 μm厚。

制備工藝流程如下:

(1) 取與MEMS陀螺儀相同長寬的玻璃基片與雙面拋光的硅片進行陽極鍵合。

(2) 對鍵合后硅片背面熱氧化生長1層1.0～1.2 μm的氧化硅層,并采用LPCVD工藝在硅背面淀積1層0.1 μm厚的氮化硅薄膜。

(3) 在硅片背面旋涂光刻膠,利用掩模版光刻刻蝕背面凹槽區(qū)域,顯影后烘干,然后采用等離子體刻蝕技術刻蝕凹槽區(qū)域內(nèi)的氧化硅與氮化硅。

(4) 利用氧化硅、氮化硅薄膜作為掩蔽層,采用KOH腐蝕液腐蝕硅,刻蝕出深度為350 μm的凹槽。

(5) 對刻蝕后的硅片進行等離子體刻蝕,刻蝕掉硅片背面凹槽兩側(cè)氮化硅與氧化硅薄膜。

(6) 取1片P型襯底硅片,采用深反應離子刻蝕技術在硅襯底上刻蝕出3～4 μm的凸臺。

(7) 將刻蝕后的襯底用去離子水清洗,在凸臺上表面依次濺射40 nm鈦(Ti)、400 nm金(Au)等金屬薄膜。

(8) 將襯底凸臺與第1層L型隔振梁端面對準并貼合在一起后放入鍵合機中進行鍵合。

(9) 對上層硅片正面噴涂光刻膠,利用掩模版對光刻膠進行光刻,顯影后烘干，然后采用DRIE刻蝕技術刻蝕掉多余的質(zhì)量塊，完成隔振梁的制備。

工藝完成后隔振結構的剖面圖如圖9所示。

圖9 工藝完成后隔振結構的剖面圖

本文給出了單層隔振平臺的制備流程，對于雙層隔振平臺的制備，只需在步驟(3)刻蝕第1層隔振梁后在底層硅刻蝕出第2層隔振梁即可。MEMS陀螺儀與隔振平臺之間可采用環(huán)氧樹脂或成熟的BCB(benzo-cyclo-butene)鍵合工藝實現(xiàn)MEMS陀螺儀與隔振平臺的黏結鍵合。

4 結 論

本文提出了一種用于MEMS陀螺儀或其他高諧振MEMS器件的單層及雙層隔振平臺,通過理論模型及其公式分析表明，集成隔振平臺可有效隔離外界環(huán)境振動,且集成雙層隔振平臺比集成單層隔振平臺的隔振效果好。但集成隔振平臺在隔離外界環(huán)境振動的同時對MEMS陀螺儀的性能造成了一定影響,通過公式分析發(fā)現(xiàn)，增大隔振平臺的質(zhì)量可在降低隔振平臺諧振頻率、提高隔振效果的同時，降低集成隔振平臺對MEMS陀螺儀的影響。

本文給出了MEMS陀螺儀隔振平臺及其結構設計,并對集成隔振平臺的示例MEMS陀螺儀進行分析,表明集成隔振平臺的MEMS陀螺儀諧振頻率的偏移值約為12 Hz,Q值最大降低了約3.2%,因此集成隔振平臺對MEMS陀螺儀性能影響較小,同時采用較大Q值的隔振平臺可繼續(xù)增大MEMS陀螺儀的Q值從而優(yōu)化其性能。通過ANSYS對隔振結構模態(tài)及靜力仿真分析表明，此結構設計是合理且可靠的。本文亦給出了隔振平臺的制備工藝流程,其中MEMS陀螺儀采用真空封裝并通過焊盤、通孔引線及其濺射在隔振平臺下表面的金屬引線與外部電路連接。采用文中給出的隔振平臺設計理念與結構可實現(xiàn)MEMS陀螺儀與隔振平臺的圓片級封裝,并可采用MEMS的加工工藝大批量生產(chǎn)，降低隔振成本。