涂 晟，王軍波，商艷龍，陳德勇

(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，傳感器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

加速度傳感器是慣性導(dǎo)航和振動(dòng)監(jiān)測(cè)的核心元件之一。微機(jī)械加速度傳感器因其低功耗、小尺寸、響應(yīng)快、易集成、可批量生產(chǎn)等特點(diǎn)［1］而得到廣泛的研究和應(yīng)用。基于微機(jī)械加工技術(shù)的諧振式加速度傳感器，由于其輸出為諧振頻率信號(hào)，易于與后端數(shù)字電路匹配組成高精度的微機(jī)電測(cè)控系統(tǒng)，與電壓電流等模擬輸出信號(hào)相比，其性能主要受其機(jī)械結(jié)構(gòu)和材料性能影響，電漂移及噪聲對(duì)測(cè)量精度影響較小，具有更強(qiáng)的抗干擾性。與傳統(tǒng)的壓阻式、電容式加速度傳感器相比，諧振式加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍寬、測(cè)試精度高、準(zhǔn)數(shù)字輸出、線性度好、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

諧振式微機(jī)械加速度傳感器自上個(gè)世紀(jì)80年代出現(xiàn)以來，涌現(xiàn)出以石英、單晶硅、多晶硅、擴(kuò)散硅、氮化硅(SiNx)等不同材料諧振器的微加速度傳感器，其中，基于石英的微機(jī)械諧振式加速度器已得到導(dǎo)航級(jí)的應(yīng)用［2］。硅基諧振式微機(jī)械加速度傳感器采用MEMS工藝加工而成，與基于石英的傳感器相比，在制作成本上有著不可比擬的巨大優(yōu)勢(shì)，因此受到了諸多研究者的青睞［3－13］。97 年 Roessig等人設(shè)計(jì)和制作了一種靈敏度為45 Hz/gn的雙端音叉諧振式加速度傳感器［3］，06年通過表面微機(jī)械加工工藝，Susan X.P.Su等人提出的諧振式加速度傳感器的靈敏度提高到 160 Hz/gn［5］，09 年 Claudia Comi等人將靈敏度進(jìn)一步提高到450 Hz/gn［13］。但是現(xiàn)有的硅基傳感器較石英基傳感器輸出穩(wěn)定性差、靈敏度低，制約著其在慣性導(dǎo)航與高精度制導(dǎo)等高端領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文提出一種新的硅基諧振式加速度傳感器結(jié)構(gòu)和制作工藝。相對(duì)于以往的采用杠桿結(jié)構(gòu)作為力的放大裝置并將慣性力耦合到諧振器上［7，12－13］的敏感機(jī)制，本文引入了一種新的敏感機(jī)制:加速度作用于器件時(shí)，質(zhì)量塊引起支撐梁彎曲形變，通過諧振梁截取支撐梁上表面應(yīng)力情況來放大應(yīng)力，以有效地提高傳感器的靈敏度。為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文建立了傳感器工作的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而在含濃硼擴(kuò)散硅層的(100)硅片上采用體硅加工工藝制作器件，通過電磁激勵(lì)、電磁檢測(cè)，靈敏度可達(dá)1.989 2 kHz/gn。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的微機(jī)械加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 加速度傳感器整體結(jié)構(gòu)

整個(gè)結(jié)構(gòu)由一個(gè)支撐框架、一個(gè)質(zhì)量塊以及雙端固支在質(zhì)量塊與框架之間的兩根支撐梁及兩組諧振器組成，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。諧振梁剛度小于支撐梁剛度，且諧振梁厚度小于支撐梁厚度，當(dāng)質(zhì)量塊受加速度作用時(shí)，如圖2所示，H形諧振梁截取支撐梁上表面應(yīng)力，通過這種支撐梁與諧振梁厚度不同的特殊設(shè)計(jì)，加速度作用于質(zhì)量塊的慣性力轉(zhuǎn)換為諧振梁的軸向應(yīng)力并得到放大，提高了傳感器的靈敏度。

表1 傳感器整體結(jié)構(gòu)參數(shù)

傳感器采用電磁激勵(lì)電磁拾振來檢測(cè)諧振頻率，外加永磁體在諧振梁周圍提供一個(gè)均勻磁場(chǎng)，當(dāng)H形梁激振電極上通過交變電流時(shí)，受安培力作用諧振梁作受迫振動(dòng)，而拾振梁在激振梁帶動(dòng)下作同頻振動(dòng)切割磁場(chǎng)線，形成幅值與拾振梁振幅相關(guān)的拾振電流。當(dāng)器件受垂直于器件平面的加速度作用時(shí)，諧振梁諧振頻率隨梁所受軸向應(yīng)力而變化，通過檢測(cè)其諧振頻率變化即可得到待測(cè)加速度。

圖2 支撐梁及諧振梁應(yīng)力分布

1.2 理論分析

諧振器采用H形梁結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 H型諧振梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

諧振器一端連接質(zhì)量塊，一端連接支撐框架，可近似看作雙端固支梁;其物理模型為伯努利－歐拉梁，在無阻尼下的微幅振動(dòng)方程為［14］:

其中，ω(x，t)是諧振梁的動(dòng)撓度方程，σ是梁所受到的軸向應(yīng)力，A=2bh、I=bh3/6、E和ρ分別為諧振梁的橫截面，梁的橫截面相對(duì)于中心主軸的慣性矩，材料的彈性模量和材料的體密度。

解方程(1)可得，當(dāng)σ=0梁的一階振動(dòng)模態(tài)的頻率為:

當(dāng)梁存在軸向應(yīng)力，即σ≠0時(shí)，

如果用作用在梁上的作用力F來表示，那么可以表示成

在加速度計(jì)中，梁所受到的軸向力可以表示為:

式中:C為慣性力的放大倍數(shù)，其大小與支撐梁的寬度、厚度相關(guān)，實(shí)際放大倍數(shù)為10.324 5，m為質(zhì)量塊的重量，a為加速度。

由式(2)可得:

上式即為H型諧振器加速度計(jì)的靈敏度表達(dá)公式。從上式可以看出，質(zhì)量塊質(zhì)量、諧振梁寬度、諧振梁厚度是影響諧振器靈敏度的關(guān)鍵因素。

2 制作工藝

由于濃硼擴(kuò)散硅高Q值及較好的熱穩(wěn)定性等特性，且其本身耐KOH溶液腐蝕，可形成腐蝕自停止層，本文選用濃硼擴(kuò)散硅作為制作諧振器的材料以獲得較好的器件性能，并簡(jiǎn)化制作工藝。

工藝流程如圖4所示。首先在(100)單晶硅片表面擴(kuò)散硼離子形成10 μm厚的擴(kuò)散硅層，然后在擴(kuò)散硅表面熱氧化形成氧化層，再在其上LPCVD淀積氮化硅，形成絕緣層，如圖4(a)、4(b)、4(c)所示;正面通過濺射和lift-off工藝得到電極圖形，如圖4(d);背面RIE刻蝕氧化層與氮化層，DRIE刻蝕體硅，并用KOH溶液濕法減薄，通過控制反應(yīng)溫度及腐蝕時(shí)間控制薄膜厚度約為50 μm(使得最后濕法釋放諧振梁時(shí)支撐梁剛好是設(shè)計(jì)的厚度)，如圖4(e)、4(f);DRIE正面刻蝕氮化硅氧化硅及擴(kuò)散硅層，刻蝕形成正面圖形;最后KOH溶液濕法腐蝕體硅，釋放梁結(jié)構(gòu)并使支撐梁恰好為設(shè)計(jì)厚度，如圖4(g)、4(h)。

圖4 加速度傳感器制作工藝流程

利用擴(kuò)散硅可作為腐蝕自停止層的特性及KOH溶液濕法腐蝕的各向異性，采用在(100)硅片上將支撐梁放置在＜110＞晶向上而將諧振梁放置在＜100＞晶向上的特殊布局，如圖5(a)所示。當(dāng)工藝最后一步用KOH溶液濕法腐蝕時(shí)，諧振梁寬度小且其位于＜100＞晶向上側(cè)向腐蝕速度快，支撐梁寬度大且位于＜110＞晶向上，腐蝕過程中形成(111)面，KOH溶液在(111)晶面上腐蝕速度極慢可有效防止支撐梁被側(cè)向腐蝕，當(dāng)諧振梁擴(kuò)散硅層下的硅被側(cè)向腐蝕完全后支撐梁部位硅側(cè)向腐蝕并不明顯，而質(zhì)量塊與框架部位始終被氮化硅覆蓋而不被腐蝕，從而實(shí)現(xiàn)制作支撐梁、諧振梁、質(zhì)量塊與框架這三種不同厚度的結(jié)構(gòu)的目的。

采用上述工藝流程制作的加速度傳感器芯片如圖5(b)所示。其中支撐梁與諧振梁如圖5(c)、圖5(d)所示。從圖5(c)、圖5(d)可以看出，支撐梁厚度約為20 μm，諧振梁厚度約為10 μm，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的。

圖5

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用HP4195A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀對(duì)傳感器進(jìn)行諧振器頻率特性及Q值測(cè)試，激勵(lì)信號(hào)50 mV，固有頻率67.854 kHz，－3 dB 帶寬147 Hz，空氣中Q值為461.6，如圖 6 所示。

圖6 諧振器幅頻/相頻特性曲線及Q值測(cè)試

重力場(chǎng)加速度易獲得且精確度高，便于實(shí)驗(yàn)，因此本文采用重力場(chǎng)±1gn靜態(tài)翻滾實(shí)驗(yàn)來測(cè)試傳感器的靈敏度。通過水平儀和TP1－360W精密分度軸系裝置(分辨率0.000 1°)來控制傳感器與水平面夾角，通過四點(diǎn)測(cè)試法尋找加速度傳感器的機(jī)械零位以消除零位誤差。

在－1gn～1gn范圍內(nèi)，傳感器靈敏度約為1.989 2 kHz/gn，測(cè)試曲線如圖7所示。

圖7 加速度計(jì)靈敏度測(cè)試曲線

4 結(jié)論

為了改進(jìn)諧振式加速度傳感器的靈敏度特性，本文提出一種新的加速度敏感模式，通過質(zhì)量塊－支撐梁－諧振梁的特殊設(shè)計(jì)，將待測(cè)加速度轉(zhuǎn)化為軸向應(yīng)力并予以放大。應(yīng)用這一原理提出了支撐梁與諧振梁不同厚度以放大應(yīng)力的新結(jié)構(gòu)。

采用濃硼擴(kuò)散硅作諧振器簡(jiǎn)化了制作工藝，利用KOH溶液腐蝕體硅材料的各向異性和支撐梁諧振梁沿不同晶向放置的特殊布局，實(shí)現(xiàn)了諧振梁、支撐梁、質(zhì)量塊三者厚度不同的工藝設(shè)計(jì)目標(biāo)。

器件性能測(cè)試表明，在－1gn～1gn的范圍內(nèi)傳感器的靈敏度約為1.989 2 kHz/gn，在空氣中諧振梁Q值約為461.6。

［1］顧英，趙連元.微硅加速度計(jì)技術(shù)綜述［J］.飛航導(dǎo)彈，2002，9:44－47.

［2］Norling B L.Superflex:a Synergitic Combination of Vibrating Beam and Quartz Flexure Accelerometer［J］.Journal of Navigation，1988，34(4):337－353.

［3］Roessig T，Howe T，Pisano T，et al，Surface-Micromachined Resonant Accelerometer［C］//Proc Ninth International Conference on Solid-State Sensors and Actuators，Transducers’97，Chicago IL，USA，June 16－19，1997，859－862.

［4］Seshia A，Palaniapan M，Roessig T，et al，A Vacuum Packaged Surface Micro-Machined Resonant Accelerometer［J］.Journal of Micro-Electro-Mechanical Systems，2002，11(6):784－793.

［5］Susan X P Su，Henry S Yang，Alice M Agogino.A Resonant Accelerometer with Two-Stage Micro-Leverage Mechanisms Fabricated by SOI-MEMS Technology［J］.IEEE Sensors Journal，2005，5(6):1214－1223.

［6］Seok S，Seong S，Lee B.A High Performance Mixed Micro-Machined Differential Resonant Accelerometer［C］//Proc IEEE Sensors 2002，2002:1058－1063.

［7］Jia Yubin，Hao Yilong，Zhang Rong.Bulk Based Resonant Accelerometer［J］.Chinese Journal of Semiconductors，2005，26(2):281－286.

［8］Ferrari V，Ghisla A，Marioli D，et al，Silicon Resonant Accelerometer with Electronic Compensation of Input-Output Cross-Talk［J］.Sensors and Actuators，2005，A 123－124:258－266.

［9］Burrer C，Esteve J.A Novel Resonant Silicon Accelerometer in Bulk Micro-Maching Technology［J］.Sensors and Actuators，1995，A 46－47:185－189.

［10］Burrer C.High-Precision BESOI-Based Resonant Accelerometer［J］.Sensors and Actuators，1995，A 50:7－12.

［11］Burrer C，Esteve J，Lora-Tamayo E.Resonant Silicon Accelerometers in Bulk Micromachining Technology an Approach［J］.Journal of Micro Electromechanical System，1996，5(2):122－130.

［12］Aikele M，Bauer K，F(xiàn)ieker W，et al，Resonant Accelerometer with Self-Test［J］.Sensors and Actuators A，2001，92:161－167.

［13］Comi C，Corigliano A，Langfelder G，et al，A New Two-Beam Differential Resonant Micro Accelerometer［C］//Proceedings IEEE Sensors 2009 Conference，Christchurch，New Zealand，October 25－28，2009，158－163.

［14］徐芝綸.彈性力學(xué)(第三版).北京，高等教育出版社，1990.