一种采用圆片级真空封装的全硅MEMS三明治电容式加速度计

胡启方，李男男，邢朝洋，刘 宇，庄海涵，徐宇新

（北京航天控制仪器研究所，北京 100039）

高性能硅基 MEMS加速度计与传统机电式加速度计以及石英基加速度计相比具有体积小、重量轻、低功耗、可批量制造以及便于ASIC集成等优势，从而在GNC（制导、导航与控制）微系统、重力检测以及平台稳定等领域有着广泛的应用前景。常见的MEMS加速度计按照检测原理可分为电容式、压阻式、压电式、谐振式、隧道电流式等。其中，差分电容式 MEMS加速度计以其均衡的性能以及良好的可集成性成为目前中、高精度MEMS加速度计产品的主要形式。对于MEMS三明治加速度计，通常通过增加质量块的体积并降低其周围的气体阻尼提高信噪比[1-2]。质量块的加工工艺采用硅片的双面各向异性腐蚀，得到的质量块的厚度与整个硅片的厚度相当[3]。为了降低MEMS三明治加速度计的空气阻尼，从而提高其Q值、灵敏度、并降低噪声，通常对器件进行管壳级或者圆片级的真空封装[4-9]。管壳级真空封装通常占整表成本的50%~80%并且体积较大，而圆片级真空封装在成本、体积、一致性方面都具有显著的优势[10]。MEMS三明治电容式加速度计的圆片级真空封装盖板材料通常为硼硅玻璃或单晶硅。采用硼硅玻璃制作三明治电容式加速度计电极盖板的优势在于硅-玻璃阳极键合的温度较低，仅为 330℃~400℃。同时，阳极键合的键合容差率高，对加速度计造成的寄生电容小。但是，由于硼硅玻璃和单晶硅材料之间存在热膨胀系数差，会造成加速度计温度系数增大[11-17]。

本文介绍了一种基于金-硅共晶键合工艺的全硅MEMS三明治加速度计的结构设计、工艺加工以及测试标定。其特点在于三明治加速度计的上、下电极盖板以及中间硅摆片都采用同种晶向的单晶硅材料制成，能够降低由材料热失配造成的加表输出温度漂移。该加速度计的键合工艺采用三层硅同时键合技术，以避免二次键合造成的电极污染以及成品率降低，同时实现三明治加表的圆片级低真空封装。

1 加速度计结构设计及仿真

该加速度计的整体设计指标目标为：标度因数0.5 V/g，量程±2g，可用带宽150 Hz，加速度计全温零位输出稳定性优于50 mg。为了提高MEMS三明治加速度计的灵敏度，该加速度计利用整个硅片厚度加工敏感质量块。在质量块上、下表面加工出MEMS差动电容的电容间隙，两个悬臂梁放置在质量的同一侧。采用这种设计的梁-质量块结构具有较高的扭转刚度并且对应力不敏感，从而降低了加速度计的交叉轴灵敏度并提高了加速度计的稳定性。敏感质量块的长度为3920 μm，宽度为 4720 μm，厚度为 380 μm。MEMS电容间隙为4 μm，初始电容为40 pF。悬臂梁的长度为1 430 μm，宽度为770 μm，厚度为40 μm。两个悬臂梁的间距为2 230 μm。梁-质量块结构的三维有限元（FEM）模型是使用商用有限元软件 ANSYS®构建的，并采用具有20个节点的3D实体单元SOLID95进行网格化。图1给出了梁-质量块结构的前三阶振动模态的仿真结果。

一阶模态是沿 Z轴的线振动模态，模态频率为437 Hz。二阶模态是沿着Y轴的扭转模态，二阶模态频率为2 897 Hz，比一阶模态频率高5.6倍。三阶模态是沿X轴的扭转模态，三阶模态频率为8 042 Hz，比一阶模态频率高17.4倍。因此，该加速度计具有良好的单轴性。

图1 加速度计结构前三阶模态仿真结果Fig.1 FEM simulation results of first three order vibration modes

加速度计的噪声主要来自敏感质量块周围气体分子引起的机械热噪声以及接口电路噪声。因此，在接口电路噪声水平一定的前提下可以通过降低加表的封装气压来降低机械热噪声，从而降低加表的整体噪声水平。

MEMS三明治加速度计的机械热噪声等效加速度（BNEA）解析表达式为[18]：

式中：T代表绝对温度；m是加速度计的敏感质量；D是阻尼因子；ω0是加速度计的梁-质量结构的谐振角频率；kB是玻尔兹曼常数；Q是加速度计的品质因数；g是重力加速度（9.8 m/s2）。 三明治电容加速度计的另一个主要噪声来源于接口电路。 由接口电路的最小电容分辨率决定的电路噪声等效加速度（CNEA）可以表示为[19]：

式中：ΔCmin是电路的电容分辨率；Sc是加速度计接口电路的电容灵敏度。对于差分电容加速度计，Sc可以表示为：

式中：Cs1和Cs2是MEMS电容器的值；ε为介电常数；A为MEMS电容正对面积；h0为初始电容间隙；k为加速度计悬臂梁刚度。目前，前端C-V对流体的电容分辨率（ΔCmin）通常在1~10 aF之间。 总噪声等效加速度（TNEA）可以表述为：

以Q值和接口电路电容分辨率ΔCmin作为自变量做TNEA的等高线图，如图2所示。当Q值从0.1增加到10时，TNEA显着降低，这表明如果三明治电容加速度计腔体中保持一定真空度有助于加速度计噪声水平的降低。然而，当Q值持续增加时，TENA的下降趋于平缓，这意味着在高真空环境下，源自于接口电路的噪声成为主要的噪声源。另一方面，如果Q值持续增加，加速度计的空气阻尼将降至极低，此时闭环系统将趋向于不稳定。

综上所述，MEMS三明治加速度计应该采用低真空封装以降低噪声，同时增加带宽并改善动态特性。

图2 加速度计总体噪声和Q值以及ΔCmin的关系Fig.2 Contour plot of TNEA as a function of Q factor and ΔCmin

2 设计和制造

本文所述的 MEMS三明治电容式加速度计具有上、下电极盖板以及中间结构层。三明治加速度计的中间层是梁-质量块结构，具体包括敏感质量块、悬臂梁、硅框架和引线键合电极。硅中间层的加工是通过基于 KOH或四甲基氢氧化铵（TMAH）的各向异性硅腐蚀实现的。硅的湿法腐蚀掩膜是通过多次缓冲氢氟酸（BHF）腐蚀制备的带有台阶的SiO2层。硅盖板的加工结合了硅的干法蚀刻和湿腐蚀工艺。 加速度计的三明治结构是通过Au-Si共晶键合组装完成。三个硅结构层通过SiO2绝缘环进行绝缘隔离。

硅盖板的加工采用 N-型（100）双面抛光单晶硅圆片。首先对硅片进行热氧化生长 3 μm厚的SiO2，如图3（a）所示。热氧化后，使用BHF对正面的SiO2进行图案化。在KOH（或TMAH）中以SiO2为掩膜进行硅的深槽腐蚀以制造硅盖板上的引线键合电极，如图3（b）所示。在硅腐蚀工艺完成之后，在硅片背面进行光刻，并且使用 BHF湿法腐蚀将硅片背面的SiO2进行图案化。键合区上的SiO2被光刻胶保护，将盖板上质量块对应区域的SiO2腐蚀到余厚0.8 μm。

在键合区和质量块对应区域进行第二次 SiO2腐蚀，以制造用于放置Au焊料环的SiO2凹槽以及SiO2纵向防过载凸点，如图 3（d）所示。在 SiO2腐蚀工艺之后，通过磁控溅射工艺在晶片背面上生长1 μm厚的Au层，并通过光刻以及碘化钾腐蚀将Au层图案化。Au环嵌套于SiO2槽中，如图3（e）所示。最后，通过ICP垂直硅蚀刻工艺使电极盖板穿通，如图3（f）所示。

采用 N-型（100）双抛光单晶硅圆片进行硅摆片的加工。硅摆片的加工同样起始于硅片正反面的热氧化工艺，如图 3（g）所示。梁-质量块结构的制造通过三步KOH腐蚀实现。首先对硅片正反面上的SiO2层进行三次光刻以及BHF腐蚀得到台阶化的SiO2掩膜，如图3（h）所示。中间硅摆片键合区位置的SiO2厚度最大，质量块区域的SiO2具有第二厚度，悬臂梁位置的 SiO2厚度最薄，结构释放区域的 SiO2则完全腐蚀去除干净露出下层体硅。

中间硅摆片的腐蚀加工采用的是质量百分比为40%的KOH溶液。在温度为80℃的KOH腐蚀液中，溶液对N型（100）单晶硅的腐蚀速率为1 μm/min。第一次硅腐蚀是在质量块周围形成24 μm的浅槽，如图3（i）所示。在第一步硅腐蚀步骤之后，将台阶化的SiO2掩膜在BHF中腐蚀变薄，从而将悬臂梁位置的SiO2腐蚀去除并露出下层体硅。第二次硅腐蚀工艺是用于制造悬臂梁和敏感质量块，如图3（j）所示。在第二次硅腐蚀过程中，前步硅腐蚀工艺制备的 24 μm硅台阶会整体向硅片中间推进，最终硅片两侧的24 μm 的硅台阶同步推进到硅片中间位置，最终形成了厚度为48 μm的悬臂梁。在完成第二步硅梁腐蚀后，进一步通过 BHF腐蚀去除质量块表面的 SiO2，仅余键合区的SiO2掩膜，并在40 ℃的低温KOH腐蚀溶液中对硅质量块进行低速率精确腐蚀，以制造 MEMS初始电容间隙，如图3（k）所示。最后，上、下硅盖板和中间硅摆片通过Au-Si共晶键合实现结构组装并完成加速度计的圆片级真空封装（WLP），如图3所示。

图4给出了加工完成的单晶硅盖板的SEM照片。SiO2材质的抗过载凸点分布在质量块的对电极上，以防止加速度计在工作过程中由于质量块过冲引起MEMS敏感电容吸合及短路失效。Au焊环的宽度为800 μm，SiO2隔离槽宽度为1 200 μm。Au焊环和SiO2槽之间的边界区域是用来防止Au-Si共晶反应的液态产物从SiO2凹槽内流出并导致加速度计的短路。

图3 全硅圆片级真空封装MEMS三明治加速度计的加工工艺流程Fig.3 Fabrication processes of the wafer-level packaging MEMS sandwich accelerometer

图4 加工完成的MEMS三明治加速度计全硅盖板Fig.4 Scanning electron microscope (SEM) images of the silicon cap

图5 给出了加工完成的梁-质量块结构的SEM照片。敏感质量块的凸角在版图设计时进行了补偿，以保护敏感质量块的凸角在KOH溶液中不被过度腐蚀。在梁-质量块的各向异性湿法腐蚀加工过程中，悬臂梁的宽度会随着腐蚀工艺的进行而逐渐减小，因此梁的宽度应该在版图设计时进行预补偿，以获得具有目标尺寸的悬臂梁。

图5 加工完成的硅摆片的SEM照片Fig.5 SEM of the beam-mass structure

三层硅结构片的键合工艺是在 EVG510中进行的。为提高键合的对称性并减少键合面污染，键合工艺中采用了EVG公司的三层硅片同时键合夹具。Au-Si共晶键合的关键点是硅片清洗工艺。键合区域上的颗粒将导致MEMS三明治加速度计气密封装失效。此外，质量块和电极盖板上的颗粒污染会造成可动质量块卡死从而导致器件失效。在键合前采用超声清洗和兆声清洗分别对三个待键合硅片进行清洗，以去除微米、亚微米尺度的颗粒污染。在Au-Si共晶键合工艺实施之前需要除去硅晶片表面上的自然氧化层，因为自然氧化层会抑制金和硅材料之间的原子互扩散从而降低Au-Si共晶反应的质量，最终导致气密键合失效。在清洗工艺之后，三个硅片在EVG620光刻机上通过三层键合对准夹具进行图形对准。在硅片对准之后，将夹具从光刻机上取下，并放入键合机的腔室内，用高纯 N2充满键合腔室，然后将室中的N2泵出，直到腔室内压降至200 Pa。在腔室内压力达到目标压力后，将腔室内温度在35 min内升至340 ℃，如图6所示。

当温度达到时，将三层硅片之间的间隔片抽出，并在三层硅片上施加5 kN的压力。将腔室内的温度进一步升至 386 ℃，此时，在金和硅之间发生共晶反应，而金-硅共晶反应的产物是一种粘性液体，冷却固化后将三层硅晶片粘接在一起，并将低压氮封装在MEMS加速度计的空腔中从而形成低气压封装的 MEMS三明治加速度计。在键合工艺完成之后在加速度计的电极区域制备Au电极作为引线键合焊盘。最后，采用砂轮划片将MEMS加速度计器件从圆片上分离。图 7给出了加工完成的WLP-MEMS三明治电容加速度计的照片。

图6 全硅三明治加速度计圆片级封装Au-Si共晶键合流程Fig.6 The Au-Si eutectic bonding process for the sandwich accelerometer wafer-level hermetic packaging

图7 加工完成的WLP-MEMS三明治加速度计照片Fig.7 The fabricated MEMS full silicon sandwich accelerometer with wafer level hermetic packaging

3 性能测试

图8~10给出了加速度计的常温输出特性曲线。

图 8示出了加速度计在重力场中的输出灵敏度曲线。使用光学分度头对 MEMS加速度计的输出灵敏度进行了测试标定。加速度计的标度因数为 0.575 V/g。加速度计的零位偏置为0.43 g。全硅三明治加速度计的零位偏置与若干因素有关，包括 MEMS加工误差、键合应力以及封装应力。

使用加速度计测试系统测试MEMS加速度计的稳定性。 加速度计上电1 min后，系统开始采集数据。采样速率为60次每分钟，采样时间为1 h。输出稳定曲线如图9所示。全硅MEMS三明治加速度计1 h的输出漂移为 2.23×10-4g（1σ）。

加速度计的全温温度实验采用高低温试验箱进行。实验的起始温度为 20 ℃，温度范围为-40 ℃~60 ℃。当加速度计温度达到20 ℃并稳定1 h后进行数据采集。温度实验的变温间隔为 20 ℃，先降温再升温，温度点间的升降温时间为15 min，稳定稳定时间为1 h。如图10所示，加速度计在整个温度范围内的输出漂移为45.78 mg，最大温度滞环点出现在0 ℃，最大温度滞环值为3.725 mg。

图8 加工完成的圆片级封装MEMS三明治加速度计照片Fig.8 The fabricated MEMS full-silicon sandwich accelerometer with wafer-level hermetic packaging

图9 加速度计1 h稳定性测试结果（1σ）Fig.9 Stability measurement result of the accelerometer for 1 h (1σ)

图10 加速度计全温温度实验结果Fig.10 Temperature experiment results of the accelerometer in full-temperature range

通过使用振动频率测试系统对加速度计的频率响应进行了测试。振动频率测试系统是由小型机械振动台、动态信号分析仪、示波器等设备组成。测试的起始频率为5 Hz，终止频率为2 000 Hz，加速度计的-3 dB带宽为278.14 Hz。加速度计的频率响应曲线如图11所示。由于静电负刚度和低通滤波器的影响，测量得到的加速度计响应带宽低于模拟结果。

图 11 MEMS三明治加速度计频率响应测试结果Fig.11 Frequency response curve of the MEMS accelerometer

4 结 论

本文介绍了一种圆片级真空封装全硅MEMS三明治加速度计的设计、制造和测试标定。基本封装方案是三层硅结构的Au-Si共晶键合。加速度计的结构设计和仿真使用FEM软件ANSYS®进行。梁-质量结构的加工通过台阶化的 KOH各向异性湿法腐蚀工艺制造，以获得具有整硅片厚度敏感质量块、薄悬臂梁，以及狭窄的MEMS电容间隙。封装盖板和中间硅摆片在N2压力为200 Pa的EVG晶圆键合腔室内进行三层结构组装并完成敏感结构的低真空封装。测量结果表明，本文给出的 MEMS三明治加速度计的闭环输出灵敏度为0.575 V/g，零位偏置为0.43 g。加速度计的-3 dB带宽为278.14 Hz。1 h的输出稳定度为2.23×10-4g（1σ）。加速度计在全温度范围（-40 ~60 ℃）的输出漂移为45.78 mg，最大的温度滞环为3.725 mg。

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）：

[1] Schmidt G T, Phillips R E. INS/GPS integration architectures[R].Massachusetts Inst. of Tech., Lexington, MA, USA, 2010.

[2] Seidel H, Riedel H, Kolbeck R, et al. Capacitive silicon accelerometer with highly symmetrical design[J]. Sensors and Actuators A: Physical,1990, 21(1-3): 312-315.

[3] Hu Q F, Gao C C, Hao Y L, et al. Low cross-axis sensitivity microgravity microelectromechanical system sandwich capacitance accelerometer[J]. Micro & Nano Letters, 2011, 6(7): 510-514.

[4] Yazdi N, Najafi K. An all-silicon single-wafer micro-g accelerometer with a combined surface and bulk micromachining process[J]. Journal of Micro- electromechanical Systems, 2000, 9(4): 544-550.

[5] Zhou X F, Che L F, Wu J, et al. A novel sandwich capacitive accelerometer with a symmetrical structure fabricated from a D-SOI wafer[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2012, 22(8): 085031.

[6] Ouellet L. Wafer-level MEMS packaging: US,6635509 [P]. 2003-10-21.

[7] Li Z H, Hao Y L, Zhang D C, et al. An SOI-MEMS technology using substrate layer and bonded glass as wafer-level package[J]. Sensors and Actuators A: Physical,2002, 96(1): 34-42.

[8] Zhang K, Jiang W, Li X X. Wafer-level sandwiched packaging for high-yield fabrication of high-performance MEMS inertial sensors[C]//IEEE 21st International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. 2008: 814-817.

[9] Chae J, Giachino J M, Najafi K. Fabrication and characterization of a wafer-level MEMS vacuum package with vertical feedthroughs[J]. Journal of Microelectromechanical Systems, 2008, 17(1): 193- 200.

[10] Mitchell J S. Low temperature wafer-level vacuum packaging using Au-Si eutectic bonding and localized heating[J]. Michigan:Michigan University, 2008.

[11] Esashi M. Wafer-level packaging of MEMS[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2008, 18(7): 073001.

[12] Zhang Y, Yang G, Gao C, et al. A MEMS sandwich differential capacitive silicon-oninsulator accelerometer[J]. Microsystem Technologies, 2013, 8(19): 1249-1254.

[13] Li W, Song Z, Li X, et al. A novel sandwich capacitive accelerometer with a double-sided 16-beam-mass struc- ture[J]. Microelectronic Engineering, 2014, 115: 32-38.

[14] Hu Q, Gao C, Zhang Y, et al. Design of a novel low cross-axis sensitivity micro-gravity sandwich capacitance accelerometer[C]//IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems. 2011: 642-645.

[15] Zhou X F, Che L F, Lin Y L, et al.Fabrication of a MEMS capacitive accelerometer with symmetrical double-sided serpentine beam-mass structure[J]. Microsystem Technologies, 2014, 20(7): 1365-1372.

[16] Hu Q F, Xing C Y, Liu G W. Simulation research on structure-related thermal drifts of sensing capacitances of MEMS inertial sensors[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2017, 25(3): 370-377.

[17] Gabrielson T B. Mechanical-thermal noise in micromachined acoustic and vibration sensors[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 1993, 40(5): 903-909.

[18] Amini B V, Ayazi F. Micro-gravity capacitive silicon-on-insulator accelerometers[J].Journal of Micromechanics and Microengineering, 2005, 15(11): 2113-2120.