蝶翼式MEMS加速度計溫度穩(wěn)定性提升方法

蒲金飛，侯占強，虢曉雙，曾承志，肖定邦，吳學(xué)忠

（1. 國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，長沙 410073；2. 湖南天羿領(lǐng)航科技有限公司，長沙 410100；3. 唐智科技湖南發(fā)展有限公司，長沙 410007）

微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems,MEMS）加速度計作為運動物體加速度測量的慣性器件，因具有成本低、體積小、功耗低、環(huán)境適應(yīng)性強和可批量生產(chǎn)的特點，廣泛應(yīng)用于航空航天、飛航導(dǎo)彈、制導(dǎo)彈藥、消費電子、健康監(jiān)測等軍用和民用等領(lǐng)域[1,2]。特別地，電容式加速度計因其結(jié)構(gòu)、性能、加工等方面的優(yōu)勢一直都是加速度計領(lǐng)域重要研究對象[3]，原理上電容式加速度計依靠慣性力引起的敏感結(jié)構(gòu)與檢測電極之間正對面積或間距變化來檢測外部加速度大小，但當(dāng)環(huán)境溫度改變時，受器件敏感結(jié)構(gòu)本身熱膨脹或者鍵合以及粘接等過程不同材料熱彈性系數(shù)不一致引入的熱應(yīng)力等影響，造成結(jié)構(gòu)變形引起非工作狀態(tài)檢測電容變化，會降低加速度計的檢測精度和性能。研究表明[4]，影響加速度計零偏、標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能主要因素是環(huán)境溫度變化引起的熱應(yīng)力對器件輸出的影響，所以良好的溫度穩(wěn)定性是實現(xiàn)高性能加速度計應(yīng)用的基本保證，如何降低或消除溫度變化引起的熱應(yīng)力也成為近年來加速度計性能提升研究的熱點之一。

應(yīng)力釋放或者隔離結(jié)構(gòu)是目前加速度計降低熱應(yīng)力影響提高器件溫度穩(wěn)定性的主要方法之一。Hao Kang[5,6]等提出在諧振式加速度計的“E”形梁上增加應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)可以降低靈敏度溫度系數(shù)提高溫度穩(wěn)定性；李青松[7]提出在鍵合錨點和承載質(zhì)量塊的主框架之間增加彈性梁式應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)，能夠降低質(zhì)量塊與框架連接梁的應(yīng)力幅同時減小連接梁因應(yīng)力變化產(chǎn)生的剛度變化，提升溫度穩(wěn)定性；Hsieh-Shen Hsieh[8]基于壓電式三軸加速度計設(shè)計了一種在器件內(nèi)部的“環(huán)狀”應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)，可以降低外部溫度、力/位移變化時造成的非敏感信號輸出；Yonggang Yin[9]提出了基于SOI工藝來改變敏感結(jié)構(gòu)錨點數(shù)量和位置，提高結(jié)構(gòu)對稱性以及熱應(yīng)力作用下形變均勻性的諧振式加速度計熱應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)，以及改變敏感結(jié)構(gòu)與玻璃基底鍵合區(qū)域連接形狀降低因材料熱彈性系數(shù)不同造成的熱應(yīng)力對加速度計輸出的影響，該加速度計的溫變靈敏度為10 μg/°C，1 h零偏穩(wěn)定性可達(dá)0.7 μg；Jian Cui[10]在諧振式加速度計的軸對稱錨點上安裝應(yīng)力隔離框，其敏感元素兩對雙端固支音叉設(shè)計在應(yīng)力隔離框架形成“中”形的兩個“口”內(nèi)，“中”形豎線兩端為與敏感質(zhì)量塊相連的框架錨點，當(dāng)溫度變化時，由于材料熱彈性不同引起的應(yīng)力集中在“中”形豎線上保證敏感元素不受熱應(yīng)力影響，在-40℃～40℃溫度區(qū)間下，其偏置熱靈敏度和補償穩(wěn)定性分別為0.42 mg/°C和0.6 mg。同時，還有學(xué)者研究了楊氏模量[11,12]與鍵合應(yīng)力[9]對熱應(yīng)力的貢獻大小并使用應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)提升溫度穩(wěn)定性，基于TSV封裝工藝的應(yīng)力釋放槽設(shè)計并研究了不同維度模型、基底厚度、TSV半徑與材料、隔離槽結(jié)構(gòu)參數(shù)等與熱應(yīng)力大小的關(guān)系[13]，通過增加緩沖梁和隔離框的方式改變敏感結(jié)構(gòu)形式降低敏感結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力水平提升器件的溫度穩(wěn)定性[14]等。

上述研究表明，應(yīng)力釋放與隔離結(jié)構(gòu)是提升加速度計溫度穩(wěn)定性的有效措施，相比溫度補償它能在原理上減小加速度計輸出的溫度系數(shù)。在這些研究的基礎(chǔ)上，本文以蝶翼式MEMS加速度計為研究對象，提出了一種在芯片級設(shè)計應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)減小諧振結(jié)構(gòu)熱變形、封裝級增設(shè)應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)減小檢測電極熱變形的溫度穩(wěn)定性提升方法，降低溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力對加速度計輸出的影響。

1 蝶翼式加速度計

蝶翼式加速度計屬于電容式加速度計，加速度檢測核心部分的MEMS結(jié)構(gòu)包括敏感結(jié)構(gòu)、電極基板和密封蓋帽，如圖1所示，敏感結(jié)構(gòu)是敏感外部加速度信號核心構(gòu)件；檢測電極在敏感結(jié)構(gòu)正下方并與其構(gòu)成檢測電容器；密封蓋帽是圓片級封裝的必要結(jié)構(gòu)之一。

圖1 蝶翼式加速度計MEMS結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of MEMS structure of butterfly accelerometer

蝶翼式加速度敏感結(jié)構(gòu)采用四質(zhì)量塊反向扭擺全差分結(jié)構(gòu)[15]，如圖2(a)所示，當(dāng)外界存在加速度作用時，在慣性力的作用下，兩對非平衡質(zhì)量塊繞敏感梁作反向扭擺運動，如圖2(b)所示，質(zhì)量塊與其正下方檢測電極構(gòu)成的電容器間隙發(fā)生變化，該變化正比于加速度的大小，利用ASIC中的C/V轉(zhuǎn)換技術(shù)可將電容變化量轉(zhuǎn)化為直觀的模擬量，實現(xiàn)加速度的檢測。

圖2 蝶翼式加速度計敏感單元結(jié)構(gòu)及工作原理圖Fig.2 Structure and working principle diagram of sensitive unit of butterfly accelerometer

根據(jù)蝶翼式加速度計MEMS結(jié)構(gòu)的工作原理可知，它可以等效為一個二階振動系統(tǒng)，質(zhì)量塊通過敏感梁與外部固定部分相連，在外部有加速度輸入時，受彈性力、阻尼力及慣性力共同作用。那么其運動方程則可以表示為：

其中，J為非平衡質(zhì)量塊的旋轉(zhuǎn)慣量，kΦ為扭轉(zhuǎn)剛度，cΦ為阻尼系數(shù)，a為敏感方向面外振動信號，Φ為懸臂梁的扭轉(zhuǎn)角度，MΦ為常量。

當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度Φ存在，即質(zhì)量塊產(chǎn)生傾斜運動，此時質(zhì)量塊與檢測電極之間構(gòu)成的電容器極板間隙產(chǎn)生變化ΔC形成，那么加速度與扭轉(zhuǎn)角度、電容變化量之間關(guān)系如式(2)：

2 蝶翼式加速度計低應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

根據(jù)蝶翼式加速度計工作原理可知，敏感芯片輸出變化的表現(xiàn)形式為敏感單元質(zhì)量塊與其正下方檢測電極之間間隙變化。當(dāng)溫度變化時，敏感結(jié)構(gòu)芯片本身的熱變形，以及與敏感芯片粘接的陶瓷基底因熱膨脹系數(shù)不同引起檢測電極的熱變形，成為影響蝶翼式加速度計溫度穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

2.1 敏感梁應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)設(shè)計

敏感結(jié)構(gòu)芯片本身的熱變形表現(xiàn)為敏感梁在溫度變化時材料的楊氏模量發(fā)生變化，改變了原有梁的剛度使其產(chǎn)生與溫度變化關(guān)聯(lián)的變形，這時非平衡質(zhì)量塊敏感方向作扭轉(zhuǎn)運動，輸出漂移隨之產(chǎn)生。熱變形由材料本身的熱應(yīng)力引起，本文在傳統(tǒng)蝶翼式加速度計“一”字形敏感梁的幾何中心處設(shè)計了籬柵構(gòu)型應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)并與敏感梁成“十”字形，在溫度變化時可以通過“張開、壓縮”等動作降低敏感梁的應(yīng)力水平，減少敏感梁在非加速度輸入下的變形產(chǎn)生的輸出誤差，提升加速度計溫度穩(wěn)定性。對蝶翼式加速度計敏感梁有無應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)進行仿真分析，如圖3所示。

圖3 敏感結(jié)構(gòu)有無應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)不同溫度下熱應(yīng)力大小對比圖Fig.3 Comparison diagram of thermal stress under different temperatures of sensitive structure with or without stress release structure

圖中仿真了敏感單元的應(yīng)力水平，應(yīng)力最大位置為錨點固定區(qū)。其中對于無應(yīng)力釋放的敏感結(jié)構(gòu)敏感梁端部上應(yīng)力集中處的A、B兩點來說，-40℃時應(yīng)力分別為16.6 MPa、15.9 MPa，60℃時分別為13.4 MPa、12.8 MPa，而有應(yīng)力釋放的敏感梁同一位置的兩點在-40℃時應(yīng)力值分別為0.051 MPa、0.049 MPa，60℃時分別為0.041 MPa、0.039 MPa，由數(shù)據(jù)可知，其應(yīng)力水平只有原結(jié)構(gòu)的0.3%左右，說明當(dāng)外部環(huán)境溫度變化時，由于應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)的存在，加速度計敏感梁因溫度系數(shù)發(fā)生的無序扭轉(zhuǎn)將大幅減小，提高了加速度檢測單元的穩(wěn)定性，同時提升了器件的溫度穩(wěn)定性。

2.2 封裝應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)設(shè)計

應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)僅削弱了敏感單元對加速度計溫度穩(wěn)定性的影響，但在加速度計封裝過程中，由于加速度計敏感芯片、導(dǎo)電膠和陶瓷管殼的材料差異導(dǎo)致其熱彈性系數(shù)不匹配，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，這種熱彈性系數(shù)不同產(chǎn)生的熱應(yīng)力會造成陶瓷管殼內(nèi)的加速度計芯片彎曲，對于面外敏感的蝶翼式加速度計來說，這種彎曲會造成電極位置改變，導(dǎo)致非敏感信號輸出的漂移，使加速度計的長期輸出穩(wěn)定性受到影響。

為了降低加速度計因材料熱彈性系數(shù)不匹配對信號輸出穩(wěn)定性的影響，本文提出了在陶瓷基底與加速度計芯片之間增加應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)，使其由直接連接方式變?yōu)殚g接連接，切斷陶瓷基底與加速度計芯片之間應(yīng)力傳遞路徑，降低封裝應(yīng)力對加速度計輸出的影響。仿真分析了增加應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)前后加速度計的應(yīng)力分布及大小（仿真模型省略導(dǎo)電膠和ASIC芯片），如圖4所示。對于無應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)的加速度計，陶瓷基底與敏感芯片典型接觸點A在-40℃時應(yīng)力值為61 MPa，60℃時為40.6 MPa，同時與陶瓷基板連接的敏感芯片檢測電極在溫度變化時產(chǎn)生明顯的彎曲；而增加了應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)的加速度計，其陶瓷基板、應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)、敏感芯片之間典型接觸點A′、B′在-40℃時應(yīng)力值分別為9.03 MPa、0.1 MPa，60℃時分別為6 MPa、0.1 MPa。上述數(shù)據(jù)表明，相比敏感芯片檢測電極與陶瓷基板直接相連，增加應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)后，敏感芯片檢測電極的應(yīng)力水平下降一個數(shù)量級，驗證了應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)能夠保證敏感電極在溫度變化時的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖4 封裝有無應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)不同溫度下熱應(yīng)力大小對比圖Fig.4 Comparison diagram of thermal stress under different temperatures with or without stress isolation structure

3 加工過程與性能測試

3.1 加工過程

增加了應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)的蝶翼式加速度計如圖5所示，由敏感芯片、ASIC芯片、應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)、陶瓷管殼構(gòu)成。

圖5 蝶翼式加速度計理論模型Fig.5 Theoretical model of butterfly accelerometer

其中敏感芯片是敏感加速度的核心部件，決定了加速度計的極限性能；ASIC芯片可以測量敏感結(jié)構(gòu)和固定電極之間的微弱電容變化，得到輸入加速度大小，并通過C/V轉(zhuǎn)換信號將加速度信號轉(zhuǎn)換成為模擬信號；應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)可以降低敏感結(jié)構(gòu)與陶瓷管殼直接接觸時因熱彈性系數(shù)不同引起的熱應(yīng)力水平；陶瓷封裝具備氣密性好、隔離度高等特點，能夠為加速度計提供物理防護和穩(wěn)定的工作環(huán)境。

MEMS加工工藝是加速度計由理論轉(zhuǎn)化為實物的橋梁，同時其質(zhì)量與精度是保證加速度計發(fā)揮設(shè)計性能的關(guān)鍵因素。按照蝶翼式加速度計理論模型，其敏感芯片采用基于硅硅鍵合的體硅SOI工藝技術(shù)，實現(xiàn)敏感結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)的工藝制造、玻璃漿料鍵合，實現(xiàn)圓片級封裝[15]。利用DRIE技術(shù)實現(xiàn)應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)的刻蝕釋放。最后實現(xiàn)敏感芯片、應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)、ASIC芯片和陶瓷管殼的低應(yīng)力互連。如圖6所示，具體工藝流程為：（1）選用特定厚度的硅片制作應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)；（2）刻蝕隔離結(jié)構(gòu)與敏感芯片連接的凸臺；（3）刻蝕隔離結(jié)構(gòu)與陶瓷基底之間的沉槽；（4）刻蝕隔離結(jié)構(gòu)懸臂結(jié)構(gòu)；（5）敏感芯片與應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)硅硅鍵合；（6）鍵合后的結(jié)構(gòu)分別與ASIC芯片和陶瓷管殼連接。

圖6 蝶翼式加速度計加工工藝流程Fig.6 Machining process flow of butterfly accelerometer

制作完成的蝶翼式加速度計實物如圖7所示。

圖7 蝶翼式加速度計實物圖Fig.7 Physical drawing of butterfly accelerometer

3.2 性能測試

為了進一步驗證應(yīng)力釋放與隔離結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性，分別對有無兩種結(jié)構(gòu)各3只加速度計測試了-40℃～60℃的溫度漂移，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同結(jié)構(gòu)蝶翼式加速度計溫度測試結(jié)果對比圖Fig.8 Comparison of temperature test results of butterfly accelerometers with different structures

從圖8中可以看出，在-40℃～60℃溫度區(qū)間內(nèi)，無應(yīng)力釋放與隔離結(jié)構(gòu)的三只加速度計全溫漂移平均值為6.19g，而有應(yīng)力釋放與隔離結(jié)構(gòu)的三只加速度計全溫漂移平均值僅為1.37g，提升約3.5倍，證明了本文提出的應(yīng)力釋放與隔離結(jié)構(gòu)對加速度計溫度穩(wěn)定性提升的有效性。

4 結(jié) 論

本文以蝶翼式加速度計為研究對象，提出了一種用于提升其溫度穩(wěn)定性的方法，即通過設(shè)計應(yīng)力釋放與隔離結(jié)構(gòu)降低結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力水平，并通過仿真和試驗的方法驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性和正確性，通過研究可以得到以下結(jié)論：1）熱應(yīng)力對加速度計輸出的影響主要來源于敏感結(jié)構(gòu)變形和封裝應(yīng)力；2）在敏感梁上設(shè)計應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)、在封裝等熱彈性系數(shù)不一致的連接區(qū)域設(shè)計應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)，能夠明顯提升加速度計的溫度穩(wěn)定性；3）設(shè)計應(yīng)力釋放和隔離結(jié)構(gòu)參數(shù)時，需要考慮應(yīng)力釋放與隔離結(jié)構(gòu)增加前后敏感結(jié)構(gòu)的諧振頻率變化情況。