新型高g值压阻式加速度计设计

许高斌，花 翔，杜林云，马渊明，陈 兴

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽省微电子机械系统工程技术研究中心，安徽合肥 230009)

0 引言

自从Roylance和Angell于1979年开发出压阻式硅加速度计[1]以来，微机械压阻式硅加速度计已被用于许多设备，包括汽车、便携式电子设备等[2]。有多种MEMS硅加速度计技术可以检测加速度，例如，电容式、压阻式、压电式、谐振式、光学式。其中，压阻式加速度计具有低输入阻抗、抗电磁干扰性强、高可靠性以及直流高频响应输出等优点，被广泛应用于地震监测、车辆碰撞分析等领域。为了获得更高的灵敏度，共振频率、结构稳定性以及低交叉轴干扰，已经发表的有多种用于高冲击硅加速度计的独特微结构，包括悬臂结构[1]、双悬臂结构[3]、黏结铰链结构[4]、双支撑梁结构[5]、悬浮敏感桥结构[6]等。压阻式悬臂梁加速度计具有谐振频率较低、交叉轴影响大的缺点。

因此，近年来关于悬浮敏感梁结构的研究正在积极进行。相比较传统的压阻式硅加速度计(在硅支撑梁或悬臂梁的表面掺杂硼或磷形成压敏电阻)，将质量块支撑梁与压敏传感梁放置在不同的区域，利用厚支撑梁提高机械强度，微小的敏感梁进行检测。这种结构有助于提高频率带宽、灵敏度和机械可靠性。Suminto[7]提出了用于压阻式加速度计的“自支撑压阻敏感梁”结构。该加速度计由若干敏感梁和用作弹簧的中央悬臂梁组成，具有高共振频率和高灵敏度的特点。但是，当加速度计受到外部冲击，导致悬臂梁弯曲时，每个敏感梁的应力变化根据其位置而不同。由于压敏电阻的应力变化与压阻式加速度计的灵敏度成正比，因此各个敏感梁的不均匀应力变化会降低加速度计的灵敏度[8]。Lee[9]提出一种对称分布的敏感梁结构，使得加速度计在受冲击时，每个敏感梁上的应力变化一致，提升了测量灵敏度。然而其设计的结构具有较高的交叉轴灵敏度，接近于主轴测量灵敏度的15%。

在本文中，提出了一种量程为2 000g的加速度计，采用微杠杆和双边4根支撑梁结构。微杠杆的输出端连接敏感梁，输入端连接中心质量块，放大外部输入的等效惯性力。由于压敏电阻上应力变化与压阻式加速度计的灵敏度成正比，本文着重分析敏感梁上应力变化。所提出的加速度计结构如图1所示。

图1 加速度计结构3D示意图

4个支撑梁双边对称连接到质量块，当对加速度计施加冲击时，质量块平行地向上和向下移动。质量块的这种平行移动经过微杠杆结构放大之后，使得位于同一侧的每个敏感梁的伸长量或缩短量相同，结果位于同一侧的敏感梁具有相同的应力变化。对所提出的加速度计详细结构尺寸进行优化设计，并使用有限元分析软件对模型结构进行了模拟与仿真。设计了一套基于标准MEMS制造技术的加工工艺流程，并与玻璃衬底进行阳极键合，提升稳定性。

1 原理与结构设计

1.1 工作原理与检测

压阻效应指当半导体受到应力作用时，由于应力引起能带的变化，能谷的能量移动，使其电阻率发生变化的现象[10]。图2给出了所提出的基于压阻效应的加速度计结构正面示意图。设计了I型主体结构，使得中心质量块的4个角分别连接支撑梁，支撑梁另一端与外围的框架结构连接。压阻敏感梁一端连接微杠杆结构的输出端，另一端与外框架连接。如图1的放大部分所示，微杠杆结构分别放置在质量块的上部和下部，构成差分系统。它们在加速度计的前表面形成悬挂，4个压阻敏感梁对称分布在两边。质量块、支撑梁和外围结构的厚度相同，以满足加速度计的固有频率需求。

图2 加速度计结构正视图

如图3所示，加速度计中有4个压敏电阻(R1～R4)，当外部冲击作用于加速度计时，质量块在敏感轴上下移动(z轴)，将外界加速度转变为等效惯性力作用于微杠杆，通过微杠杆结构增大敏感梁上的应力变化。当外界加速度向下作用，上部微杠杆中R1和R4压阻敏感梁被拉长，导致R1和R4的电阻增加；下部微杠杆中的R2和R3压阻敏感梁被压缩，导致电阻减小。反之外界加速度向上作用，则上部电阻减小，下部电阻增大。

图3 惠斯登电桥测量电路示意图

4个电阻通过表面金属电极相互连接形成惠斯登电桥电路，见图3。输出和输入电压的比率可表示为

(1)

如果每个敏感梁的电阻变化远小于初始电阻，则可以忽略二阶因子，并且方程(1)也可以表示为

(2)

灵敏度S定义为标称VDD电压下，每单位输入加速度作用下输出电压的变化，结合式(2)可得灵敏度计算公式为

(3)

式中a为外界输入加速度值，m/s2。

1.2 微杠杆原理与设计

微杠杆结构主要包括4部分：输入梁、输出梁、支点梁和杠杆臂(刚性部分)[11]。图4所示为杠杆简易结构受力示意图：Fin为微杠杆输入端输入的力；Fout为经过微杠杆放大之后输出端的力；L为动力臂(支点梁和输入系统之间)长度；l为阻力臂(支点梁和输出系统之间)长度。

图4 杠杆受力结构示意图

根据力平衡和力矩平衡得到微杠杆放大倍数公式[12]：

(4)

由式(4)可知增加微杠杆放大倍数方式有：增大杠杆比(L/l),增大支撑梁和输出梁的轴向刚度，即kvo、kvp的值，减小支点梁与输出梁的横向刚度，即kθo、kθp的值。在实际设计过程中，需要进行折中，如增大杠杆比会增大器件尺寸，轴向刚度与横向刚度之间需要平衡。在保证结构强度和稳定性的情况下，将支点梁与输出梁设计的尽可能细长，以减小横向刚度。虽然多级微杠杆结构可在有限的空间内进一步提高放大系数，但是随着微杠杆级数的增加，整个系统的弹性常数降低，对整体结构刚度有较大的影响，不适用高冲击加速度计。

本文设计单级微杠杆结构如图5所示，输入梁另一端连接质量块。为了提升微杠杆结构交叉轴刚度，增加结构稳定性，设计将同一侧的两个微杠杆连接成整体，充分利用对称性得到两边压阻敏感梁上一致的应力分布变化。使用有限元分析软件对加速度计施加加速度时，微杠杆受力情况如图6所示，可以看到同一边的2个压阻敏感梁受力情况具有良好的一致性，达到提升测量灵敏度目的。

图5 对称连接微杠杆结构示意图

图6 微杠杆结构受力仿真图

高冲击加速度计需要高灵敏度，高可靠性，低横向灵敏度和宽频率范围，最佳设计旨在获得满足上述要求所需的加速度计的结构尺寸。利用数值模拟方法结合有限元分析软件，对加速度计包括微杠杆结构参数进行设计。加速度计的中心质量块尺寸长宽厚为700 μm×700 μm×200 μm，两边支撑梁尺寸长宽厚为200 μm×40 μm×200 μm。微杠杆的杠杆臂宽度尺寸需要保证杠杆臂是刚性梁，因此将杠杆臂宽度设置80 μm，长度为600 μm，杠杆比(L/l)为0.5，因此合理的设计尺寸可以将输入力放大2倍，加速度计的测量灵敏度能够大幅度提升。对微杠杆结构的厚度进行模拟，在施加同样加速度情况下，不同厚度对压阻敏感梁应力分布影响如图7所示。

图7 厚度对微杠杆敏感梁上应力分布影响

从应力分布图可看出除去接触部分，压阻敏感梁上应力分布较均匀。微杠杆结构厚度的增加会减小应力的值，降低灵敏度，同时考虑结构厚度增加可以提升整体刚度和稳定性，增大加速度计谐振频率，降低交叉轴敏感，设计结构厚度7 μm，压阻敏感梁的尺寸长宽厚为15 μm×4 μm×7 μm。

2 仿真分析

2.1 静态仿真

利用COMSOL有限元分析软件对加速度计整体结构进行静力仿真，分析外界施加加速度值与压阻敏感梁上应力变化关系。如图8所示，在敏感轴方向施加2 000g加速度时，加速度计整体结构受最大应力为20.9 MPa，远小于材料断裂应力；如图9所示，整体结构发生微小形变，最大位移为5.39×10-3μm;如图10所示,压阻敏感梁上应力分布较均匀，均值为0.9×107Pa，即9 MPa。与传统将微型敏感梁直接与质量块和外框架相连接的结构相比，设计的微杠杆结构确实将敏感梁上应力分布均值提升2倍。

图8 加速度计受2 000g加速度时静态受力图

图9 加速度计受2 000g加速度时形变位移图

图10 加速度计受2 000g加速度时敏感梁应力分布

对于交叉轴灵敏度，仿真分析可得在2 000g加速度输入下，方向为X轴时，压阻敏感梁上应力分布均值为3.4 kPa，近似为敏感轴Z向应力均值的3.8%；方向为Y轴时，压阻敏感梁上应力分布均值为4.2kPa，近似为敏感轴Z向应力均值的4.6%，交叉轴灵敏度均小于敏感轴灵敏度的5%，可以忽略影响，显著提升测量精度。

当外界输入20 000g加速度时，仿真表明整体结构最大应力为209 MPa，小于硅材料的失效极限应力9 GPa的3%，故所设计的加速度计结构能够承受10倍于量程的加速度输入，具有良好的可靠性。

2.2 模态分析与谐响应仿真

利用ANSYA有限元仿真软件对设计的压阻加速度计进行工作模态仿真，结果如图11所示，得到加速度计的一阶工作模态频率近似为294 kHz，其他模态频率如表1所示。

图11 加速度计一阶模态仿真图

表1 加速度计前四阶模态频率

由表1可知，一阶与二阶模态频率相差100 kHz左右，故设计的加速度计具有很高的频率带宽。在ANSYS仿真软件中，对加速度计施加沿着敏感轴方向的加速度载荷，设置频率范围为250～310 kHz进行谐响应分析。如图12所示，曲线在频率接近294 kHz位置发生谐振，达到最高峰。

图12 加速度计谐响应曲线

3 制造工艺流程

(a)表面生长SiO2

(b)进行硼掺杂

(c)沉积金属电极

(d)刻蚀形成微杠杆

(e)背面垂直-深反应离子刻蚀

(f)玻璃衬底阳极键合图13 加速度计制造工艺流程

设计了基于标准MEMS制备工艺的压阻式硅加速度计加工工艺流程图，如图13所示。加速度计采用4英寸(1英寸=2.54 cm)绝缘体上硅(SOI)晶圆制造，晶圆从顶部到底部顺序堆叠为硅、二氧化硅和硅。首先在晶片表面生长900 nm厚的二氧化硅(SiO)层，如图13(a)所示，使用光刻法对SiO2进行图案化，并且通过反应离子蚀刻对开放的光刻胶下二氧化硅层进行干法蚀刻，形成离子扩散窗口。然后离子注入硼离子，掺杂浓度为4×1017/cm3，形成p型压电电阻，见图13(b)。在图13(c)所示的步骤中，使用等离子体增强化学气相沉积在晶片表面沉积薄二氧化硅层作为介电层。然后，通过光刻和二氧化硅蚀刻工艺打开接触窗口进行金属层的连续沉积和图案化工艺。使用溅射系统将Al层沉积在晶片的顶表面上，与硼掺杂的压电电阻层形成欧姆接触。然后通过电子束蒸发器连续沉积Ti和Au层并对其进行图案化以形成电极。图13(d)所示的蚀刻步骤用于形成微杠杆结构。之后对晶片进行背面加工，利用垂直蚀刻-深反应离子蚀刻(DRIE)刻硅，然后使用相同的设备刻蚀掩埋的SiO2，形成中心质量块与4根支撑梁，见图13(e)。最后将晶片与准备好的玻璃衬底进行阳极键合，见图13(f)。通过所示的加工工艺步骤完成硅加速度计芯片的制造。

4 结束语

本文设计了一种新型高g值的压阻式加速度计，采用微杠杆结构和自支撑压阻敏感梁结构，放大在输入加速度时压阻敏感梁上的应力变化，与传统结构相比应力放大2倍，由于压敏电阻的应力变化与压阻式加速度计的灵敏度成正比，使得在2 000g的量程内大幅提升测量精度。该加速度计具有高的谐振频率，达到294 kHz，具有低的交叉轴敏感，敏感梁上应力变化分别为敏感轴时应力变化的3.8%(X轴)、4.6%(Y轴)。加速度计最高可承受20 000g的外部冲击，具有高可靠性。本设计为高精度高g值压阻式加速度计的实现提供了一种可行方案。