微惯性技术.

1 基于SOI技术的MEMS惯性加速度计 摘要： SOI技术材料具有寄生PN效应小、电子迁移速度高、功耗低、抗干扰能力强、稳定性好等特点，将其运用于MEMS惯性器件可以有效改微惯性善器件的反应速度、功耗、精度和稳定性等方面的性能。本文主要介绍了三部分内容：一、基于SOI技术的电容式微加速度计的结构设计，选择使用梳齿偏置式U型折叠梁结构；二、本电容微加速度计的各主要结构的仿真及优化设计，使用Ansys对结构的尺寸进行仿真优化，运用理论推导确定电容梳齿的数目及极板间距离；三、本SOI技术电容微加速度计的工艺设计及工艺加工流程，给出了SOI材料的制作工艺流程以及对SOI材料加工刻蚀的工艺流程。

一、概述 MEMS惯性加速度计的研究就是惯性器件最重要的研究内容之一。硅微加速度计是一种重要的力学传感器，是最早研究的微机械惯性传感器之一。由于集成在硅片上的加速度计具有体积小、重量轻、易于测试或控制电路集成等许多优点，且依据其近几十年来的发展，硅微加速度计的研究得到了越来越广泛的关注和重视，特别是世界经济强国己经广泛开展了MEMS在军事领域的研究工作。 目前世界主流的发展趋势倾向于采用微电子机械系统MEMS技术的微加速度计和陀螺仪，它们是MEMS领域一个重要分支的微惯性测量组合MIMU（Micro Initial Measurement Unit）系统的核心和关键部件，决定了惯性导航和运动载体的控制。惯性加速度计具有不受电磁干扰、完全自主、精度高、安全可靠和实时性能好等优点，在军用航天载体和民用相关领域获得了广泛应用和发展。目前由于洲际导弹弹体内唯一可检测的物理量是载荷加速度口，所以惯性加速度计直接决定了武器引信的精确性和可靠性，对其进行详细研究和开发具有十分重要和潜在的价值体现。依据其具有的这些性能稳定、故障率低、性能一致性好等特点，惯性加速度计在惯性测量系统中具有重要的发展应用前景，在本世纪初已开始大批量的生产，并应用于导航、制导、控制、测量等军用及民用的诸多领域。 SOI（Silicon-On-Insulator）指的是绝缘层上的硅，其结构可以是绝缘衬底加顶层单晶Si层的双层结构，也可以是以绝缘薄层为中间层的三层结构，该结构材料可使器件与 2

衬底材料相隔离绝缘，如图1所示。 图1 SOI技术材料 使用SOI技术材料制作的微器件与硅基材料微器件相比有很多优点：一、寄生PN效应小，结构器件层与衬底之间有绝缘层相隔离，减小或消除了器件中寄生PN结效应；二、电子转移速度高，埋氧层的绝缘作用和隔离作用使整个器件的工作速度大大提高了；三、总体功耗低，SOl器件中寄生电容小，使整个器件的漏电流减小了，同时静态和动态功耗也大大减少了；四、抗辐射干扰能力强，使辐射下产生的少数载流子数目相应的减少了三个数量级；五、消除了闭锁效应，提高了电路的稳定性，便于器件与电路的兼容设计与制造。 基于SOI技术的MEMS惯性加速度计是未来惯性制导技术的一个重要发展方向。与普通加速度计结构系统不同的是，MEMS惯性加速度计系统除了高的精度、好的动态性能等一般指标外，还要求高稳定性和大量程（＞70g）。一般来说，硅微加速度计的稳定性和量程往往是相互矛盾的：量程设计高了，系统稳定性就相对变差了；而量程较低时，系统可能较稳定。这是因为，决定加速度计量程的参数也是影响系统稳定性的参数因素，并且互相制约。同时，这些参数还受到加速度计结构系统所在大环境的影响，所以针对提高器件速度、降低器件功耗、减小误差、减化制造加工工艺，减小器件尺寸等这些SOI技术的优点，对基于SOI技术的MEMS惯性加速度计系统结构的研究具有十分重要和关键的研究意义。

二、MEMS惯性加速度计总体设计 1、微加速度计类型的选择 3

图2 压电式微加速度计 压电式微加速度计的基本工作原理是在弹性梁上有一层压电材料膜，上电极和下电极分别分布在压电材料膜的上表面和下表面上，当有外界加速度口作用于敏感质量块时，弹性梁上会产生应力大小变化，由于压电效应作用，器件结构的上电极和下电极间会产生电压，由此可通过测量电压的变化来得知外界加速度的变化，具体结构如图2所示，通用的压电材料主要有石英晶体、压电陶瓷、氧化锌(ZnO)等。这种加速度计的结构比较简单，但很难测量常加速度，温度系数较大，器件的线性度也不是很好，并且压电材料在价格方面也比较昂贵。

图3 压阻式微加速度计 压阻式微加速度计是依据压力传感器而设计和研究分析的，如图3所示，压阻式微加速度计是由支撑梁和质量块以及在支撑梁上的压阻元件所组成的，支撑梁和质量块的材料都为普通的单晶硅Si材料。当支撑梁受到外界载荷作用而发生形变时，其固定一侧相对非固定一侧发生形变较大，所以压阻薄膜就分布在支撑梁所固定的一侧。当有外界加速度输入作用时，支撑梁在敏感质量块受到惯性力作用下发生变形产生应力，从而导致压阻薄膜也随之发生形变，由于压阻效应加速度计结构的电阻值发生变化，导致压阻元件两端的检测电压发生改变，从而可通过测量此电压的变化就可以得知外界加速度载荷的变化情况，得出输入加速度载荷与输出电压之间的具体变化关系。压阻式微加速度计结构相对简单，所需芯片制作相对容易，容易和信号控制电路集成，线性度较好。但是压阻元件的加工制作难度较大，温度效应严重，且灵敏度较低。 4

图4 电容式微加速度计 电容式微加速度计是最常用的加速度计类型之一，按基本工作原理可划分为变间隙式、变面积式和变介电常数式三种加速度计结构。目前应用最多的是变间隙式差动微加速度计结构，如图4所示，它对测量和感受微小信号非常有利，当外界加速度载荷a作用于敏感质量元件m时，平板电容器极板间的距离产生变化，最终导致加速度计结构电容的变化，通过检测结构输出电压的大小变化来检测获知输入加速度a的大小。为了改善和提高器件灵敏度和线性度性能指标，实际设计中大多数都采用差分电容结构形式，其结构和敏感器件加工制作相对简单，很少受温度效应作用的影响，一定范围内的器件线性度指标很好，单位器件结构芯片面积的灵敏度较高，器件功耗较小。但是电容式微加速度计是一种高抗阻器件，容易受到外界电磁作用干扰，从而导致直接测量范围较小、线性度指标性能差，读出电路复杂，而且易受到寄生电容的影响。

图5 谐振式微加速度计 谐振式微加速度计的基本工作原理是利用将振动测量或检测器件在谐振频率处幅值灵敏度的特点来设计和研究微加速度计的，它是近年来发展起来的新型传感器。在硅材料悬臂支撑梁上做一个微型激振器，当作用在激振器上的应力随外界加速度口的输入不同而发生变化时，该激振器的频率也会发生相应的变化，利用器件结构谐振频率与应力大小之间的关系，通过拾振器就可以测量出加速度传感器所受到的外界加速度a的大小，加速度口垂直作用于敏感质量块元件上，图5为谐振式微加速度计的具体结构。微加速度计激振器的激励源通常可由静电、光热或电热等方式产生，谐振器式微加速度计的分辨率和灵敏度性能比较高，不容易受到外界环境噪声的干扰而出现误差大和稳定性差的缺点，故这种方式的加速度计在航空航天器件导航制导控制、微重力和地震监测等许多方面备受人们的重视。但由于热激励源有时会引起不必要的热应力从而影响其测量精度，此外结构过于复杂也是这类传感器的缺点劣势之一。

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图6 隧道效应式微加速度计 隧道效应式微加速度计的基本工作原理是利用在窄真空势垒中的电子隧道效应，在距离很近的原子针尖与电极之间施加电压，电子就会穿过两个电极之间的势垒，从一个电极流向另一个电极，从而形成隧道电流。隧道电流的大小是由它们之间的间距决定的，并呈一定指数比例关系而变化。如图6所示，位于下面的一个导电指针针尖和位于上面的一个平面电极两个电极组成，它们之间的间距非常小，当该间距处于微纳米量级时，电子的隧道效应形成两极之间的导通电流。研究证明，当所加电压为0.2v，间距为1nm时，两电极问的距离仅有0.01nm变化就可引起隧道电流4.5%的改变，甚至更小的位移变化也能检测出来。隧道效应式微加速度计有非常高的灵敏度和线性度，强烈的抗干扰能力，温度效应小，但是这种谐振式结构的低频噪音很大，加工起来也非常困难，成品率不高。

图7 热对流式微加速度计 热对流式微加速度计的工作原理图具体如图7所示，在一个密封空削内，有两个热敏元件对称放置在热源两侧。当没有外界加速度载荷输入时，密封空间内气体发生热对流传导，在热源两旁做互为对称的逆时针和顺时针对流运动。此时，两个热敏元件在温度场中处于相同的温度下；当有外界加速度载荷作用时，温度场发生偏移，对流运动发生变化，使两旁热敏元件的温度产生差异，此温度差值通过相应的电路测量来反映所输入的加速度载值，热对流微加速度计具有较高的灵敏度和线性度特性指标，同时还具有较宽的工作频带：但是其响应速度较慢，而且器件灵敏度会受到外界气压的影响，稳定性较差。 6

表1 各种微加速度计的比较 类型 优点 缺点

压电式 结构简单，频率响应范围很宽，有很好的线性度 分辨率低，温漂较大，压敏电阻制作困难

压阻式 加工工艺简单，测量方法易行，测量加速度的范围宽，线性度好，重复生产性好 温度效应严重，温度系数大，灵敏度低

电容式 结构简单，漂移低，温度效应很小，灵敏度相对较高，功耗小，差动式结构有较好的线性度 读出电路复杂，易受寄生电容影响和电磁干扰

谐振式 直接数字输出，测量精度、分辨率和灵敏度高，不易受环境噪声干扰和误差产生，稳定性好 制作工艺复杂，温度漂移大

隧道式 极高灵敏度和线性度，非常宽的频响范围，稳定性好，可靠性高，抗干扰能力强，温漂小 信号噪声大，工作电压高，加工困难，成品率低

热对流式 有较高的灵敏度和较好的线性特性，同时还具有较宽的工作频带 响应速度较慢，而且灵敏度易受气压和温度的影响

上述各种结构的微加速度计的特点如表1所示，经比较得知，电容式结构是更适合作为SOI技术材料微加速度计的结构类型。

2、电容式微加速度计结构的选择