一种低噪声MEMS加速度计设计与制作*

宋 萌， 常洪龙， 杜松杰， 谢建兵， 李鹏程

(西北工业大学 空天微纳教育部重点实验室，陕西 西安 710072)

0 引 言

微加速度计是一类重要的MEMS传感器。相比于传统加速度计，其具有体积小、功耗低等优点，广泛应用于汽车安全、消费电子、航空航天惯性导航等领域[1]。随着MEMS技术的发展，出现了多种原理的微加速度计，包括谐振式微加速度计[2]、压阻式微加速度计[3]、热对流式微加速度计[4]、电容式微加速度计[5～7]等。其中，谐振式微加速度计的灵敏度水平较低，对制作工艺要求高，温度性能差，谐振检测电路等也较为复杂；压阻式微加速度计精度较差，对于温度敏感，力敏电阻的制作工艺也较为复杂，制作难度较大；热对流式微加速度计动态性能较差，响应速度慢，线性工作范围较小；电容检测结构是MEMS加速度计领域重要的结构之一，其具有灵敏度高、温度系数小、稳定性好等优点，在MEMS领域应用更为广泛。

Litton公司生产的SiACTM MEMS电容式加速度计采用三明治式电容检测方案，具有良好的噪声性能，已经成功应用于火星探测、空空战术导弹等领域，其本底噪声性能为35 μgn/√Hz[5]。但是，三明治微加速度计结构设计复杂，对工艺具有较高的精度要求，并且集成电路(IC)难度较大。Tan S S等人提出了一种低噪声的CMOS MEMS电容式微加速度计设计方案，其内部集成检测电路，灵敏度为595 mV/gn，本底噪声为50 μV/√Hz[6]。但是，基于CMOS工艺的微加速度计设计和加工过程更为复杂，在微加速度计表头制作过程中精度可控性较差，总体成本较高。

为进一步提高电容式微加速度计的噪声性能，Abdolvand R等人[7]提出了一种基于绝缘体上硅(SOI)的大质量设计，通过保留SOI硅片的基底层来增加检测质量，可以达到减小噪声的目的。但是该方法结构复杂，并使得检测电容压膜阻尼较大，不利于闭环检测电路的形成，另外，其工艺过程需要通过低压化学气相沉积(LPCVD)进行多晶硅沉积，并进行多次刻蚀，工艺难度较大，可控性较差。

本文设计出一种基于SOI工艺的电容式微加速度计，在保证噪声性能的同时，降低微加速度计的设计和工艺难度。该方案采用大面积平板叉指式设计结构，整体结构简单，优化了梳齿参数，有效提高了检测质量，降低了系统的机械热噪声和阻尼系数。同时，采用基于Al层保护的SOI工艺制作，工艺过程得到极大简化，具有良好的可控性。性能测试表明：该电容式微加速度计样机已实现良好的噪声性能，其本底噪声能够达到20 μgn/√Hz。

1 低噪声设计

微加速度计的机械布朗噪声计算公式为[8]

(1)

其中，kB为玻耳兹曼常数，T为环境温度，D为系统阻尼系数，m为检测质量。由公式(1)可知，微加速度计的机械噪声与环境温度T、阻尼D及检测质量m有关。

由公式(1)可知，为降低加速度计表头的机械布朗噪声，可以通过降低阻尼系数和增加检测质量的方法实现。降低阻尼系数意味着需要采用真空封装等更为复杂的工艺方式，需要投入更高的设计和制造成本。检测质量m对于噪声性能影响更大，其与机械布朗呈明显的反比例关系。所以，相比于降低阻尼的方法，本文采用增大检测质量的设计方案以降低微加速度计的机械布朗噪声。

根据公式(1)，在取环境温度T=298 K，阻尼系数为0.008时，微加速度计的检测质量与噪声的关系曲线如图1所示。

图1 检测质量与噪声的关系曲线

经分析可发现，在检测质量小于3 mg时，通过增加微加速度计表头的检测中心质量能够显著降低其机械噪声；在检测质量大于3 mg时，机械噪声减小的趋势逐渐减弱。所以，结合工艺和成本等因素，为取得较好的噪声性能，本文微加速度计的检测质量采取最优的3 mg。

另外，在增大检测质量的同时，为了降低工艺难度，减少工艺步骤，本文不保留基底层，而采用大面积平板式的结构，如图2所示，该结构主要由检测电容Cs、反馈电容Cf、质量块、弹性梁等组成。同时，为保证微加速度计具有良好的灵敏度，需要对弹性梁、质量块及电容量进行合理的优化设计，得到最优的结构参数。

图2 低噪声微加速度计结构示意图

最终的微加速度计表头参数：中心质量为3 mg；质量块面积为5 600 μm×3 800 μm；谐振频率为700 Hz；弹性梁刚度为30 N/m；梳齿间距为4 μm；阻尼为0.003 5；电容灵敏度高于3 pF/gn；机械噪声为258 ngn/√Hz，其机械噪声理论值达258 ngn/√Hz。

2 工艺流程

2.1 工艺与硅片选择

本文所述大面积质量块的微加速度计表头采用SOI工艺方法制作。SOI工艺具有良好的稳定性特点，能够满足本文大面积平板式结构的制作要求，利于进行工艺简化，在提高加速度计的噪声性能的同时，能够减小叉轴耦合并增强系统稳定性。

为保证微加速度计检测质量能够达到设计值3 mgn的要求，本文所用SOI硅片的结构层厚度为60 μm，基底层厚度为400 μm。

工艺过程主要特点是，背腔DRIE深刻蚀并释放后，采用溅射Al层进行结构保护，并进行第二次DRIE刻蚀。由于金属Al具有良好的导电性和导热性，该方法能够降低在制作大面积结构过程产生的内应力，进而降低微加速度计表头噪声，同时，该方法能够抑制Footing效应[9]，提高加工精度。

2.2 工艺步骤

微加速度计的整体工艺过程如图3所示，该工艺主要包括两部分：背腔的制作(a)～(b)和器件层的刻蚀(e)～(g)。

图4为微加速度计电镜照片。微加速度计工艺误差主要来源于光刻误差和Footing效应。器件正面梳齿宽度设计值为5 μm，实际宽度为5.14 μm；背面梳齿宽度设计值为5 μm，实际宽度为4.86 μm。二者工艺误差均小于3 %，侧壁倾斜度为0.27°。结果表明：该工艺具有较高的尺寸精度水平，能够较好地满足大面积结构的加工要求。

3 测试结果与讨论

3.1 噪声测试

本文所述的微加速度计采用闭环模拟电路进行测试。如图5所示，经过优化设计后，该加速度计的本底噪声能够达到20 μgn/√Hz。

测试结果表明:该微加速度计具有良好的噪声性能，说明的本文所提出的低噪声设计方案具有良好的可行性。但器件的理论机械噪声为258 ngn/√Hz，在采用模拟电路实测后，其结果与理论值偏差较大。经分析，本次测试采用了模拟控制电路，其电源引入的噪声未经处理，若采用集成电路的方式进行封装测试，可提高其整体本底噪声性能[10]。

图3 微加速度计工艺流程示意图

图4 微加速度计结构电镜图

图5 微加速度计的噪声—频率曲线

3.2 灵敏度测试

微加速度计上电后，在±1gn范围内每隔20°采集一次数据，共采集19组数据。分析测试数据，得到微加速度计的线性度为2 %，灵敏度为2.5 V/gn，如图6所示。该结果表明:该微加速度计具有良好的灵敏度性能，说明本文提出的大面积结构在降低表头噪声的同时能够很好地兼顾灵敏度性能。

图6 微加速度计静态灵敏度曲线

3.3 频率响应测试

微加速度计的频率响应测试结果如图7所示，该加速度计的频率响应情况良好，实际谐振频率约680 Hz，与设计值700 Hz接近，误差在3 %以内。该结果表明:本文提出的基于Al保护层的微加速度计SOI工艺流程具有良好的精度水平和可控性，在大面积结构制作方面具有优势。

图7 微加速度计频率响应曲线

4 结 论

本文分析了梳齿电容式微加速度计机械噪声产生的主要来源，并设计、制作了一种低噪声的微加速度计，该加速度计具有良好的信噪比性能。其灵敏度为2.5 V/gn，非线性度2 %，本底噪声优于20 μgn/√Hz。该加速度计采用的大面积平板式设计，通过增加检测质量和优化SOI工艺流程，能够有效地降低机械噪声，并有利于系统稳定性的提升。该加速度计的设计方案能够适用于需求高分辨率、高稳定性的应用领域，例如：惯性导航、地震监测等。

参考文献:

[1] 王 巍.惯性技术研究现状及发展趋势[J].自动化学报,2013,39(6):723-729.

[2] Comi C,Corigliano A,Langfelder G,et al.A high sensitivity uniaxial resonant accelerometer[C]∥2010 IEEE 23rd International Conference on Microelectromechanical Systems(MEMS),IEEE,2010:260-263.

[3] Bhalla N,Li S S,Chung D W Y.Finite element analysis of MEMS square piezoresistive accelerometer designs with low crosstalk[C]∥2011 IEEE International Semiconductor Conference(CAS),2011:353-356.

[4] Bahari J,Jones J D,Leung A M.Sensitivity improvement of micromachined convective accelerometers[J].Journal of Microelectro-mechanical Systems,2012,21(3):646-655.

[5] 张 英,戚红向,李德强,等.MEMS 航天惯导产品及技术发展简介[J].航天标准化,2010(3):15.

[6] Tan S S,Liu C Y,Yeh L K,et al.Design of low-noise CMOS MEMS accelerometer with techniques for thermal stability and stable DC biasing[C]∥ 2010 IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC), IEEE,2010:1-4.

[7] Abdolvand R,Amini B V,Ayazi F.Sub-micro-gravity in-plane accelerometers with reduced capacitive gaps and extra seismic mass[J].Journal of Microelectromechanical Systems,2007,16(5):1036-1043.

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[10] Zwahlen P,Dong Y,Nguyen A M,et al.Breakthrough in high performance inertial navigation grade Sigma-Delta MEMS accelero-meter[C]∥2012 IEEE/ION Position Location and Navigation Symposium(PLANS),IEEE,2012:1-15.