圓片級封裝全硅梳齒電容式MEMS加速度計設計

牛昊彬，孫國良，王帥民，張方媛

（中國航空工業集團公司西安飛行自動控制研究所，西安 710076）

MEMS 加速度計具有體積小、成本低、功耗小、穩定性好等優點，廣泛應用于軍事、醫療、汽車和工業控制領域的加速度、振動、沖擊和傾角等測試[1]，是小型化慣性測量單元的核心組件。MEMS 加速度計按照檢測原理的不同有電容式、壓阻式、諧振式、光學類、隧道電流式等[2]，其中電容檢測由于具有良好的靈敏度、溫度特性和動態特性，被中高端MEMS加速度計廣泛采用。

電容式MEMS 加速度計通常采用面外運動的平板電容結構或者面內運動的梳齒電容結構[2-4]。相比梳齒電容結構的MEMS 加速度計，平板電容結構的MEMS 加速度計通常采用較大的敏感質量，機械靈敏度較高，有利于獲得高精度。然而，隨著深反應離子刻蝕（Deep Reactive Ion Etching，DRIE）技術和電路水平的提升，這種優勢正在減弱。如今，梳齒結構的電容式MEMS 加速度計由于具備更優的過載能力和設計靈活性，正逐漸成為中高端MEMS 加速度計結構設計的另一種選擇[4]。

本文給出了一種高精度梳齒電容式MEMS加速度計的結構設計、工藝實現和性能測試，其特點為采用了圓片級封裝的全硅工藝方案，整表具備良好的封裝形態和性能，適合小型化慣性測量單元集成。

1 結構設計

本文中加速度計的結構設計方案如圖1所示，其由錨點、U型彈性梁、固定梳齒、可動梳齒和“日”字型的質量框組成，可動梳齒與“日”字型質量框共同構成加速度計的敏感質量。當受到水平向的外部加速度時，敏感質量將在水平方向移動，與左右對稱布置的固定梳齒形成差分電容。

加速計為典型的二階系統，系統方程為

其中，m為敏感質量，x為敏感質量的位移，b為結構粘性阻尼系數，k為彈性梁剛度，a為外部加速度。

式(1)可等效為

常值加速度輸入穩定后，式(2)可簡化為

可見，敏感質量和彈性梁剛度決定了加速度計的靈敏度，而選擇相對較小的梳齒間隙則有利于提高單位輸入下的差分電容變化量，從而有利于提高加速度計的電容靈敏度和信噪比。在閉環工作模式下，反饋電壓產生的靜電力對慣性力的平衡能力決定了加速度計的量程，其由基礎電容、梳齒間隙、敏感質量和反饋電壓等共同決定?；谏鲜隹紤]和實際工藝能力約束，本文加速度計結構的主要參數設計如表1。結構有限元仿真結果顯示該加速度計一階諧振頻率為1918.46Hz，工作模態如圖2。

表1 主設計參數Tab.1 Maindesignparameters

圖2 加速度計一階模態Fig.2 The first modeof theaccelerometer

噪聲水平是衡量加速度計性能潛力的重要指標，本文中加速度計采用常壓封裝，其理論機械噪聲水平

式(4)中KB為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度。

2 工藝實現

本文加速度計采用三層全硅工藝方案，其剖面示意圖如圖3，由上層蓋板、中間結構層和下層電極引出層組成。其中，電極引出層的硅通孔有兩種類型，一種用以敏感質量和固定梳齒的錨點電信號引出（圖3左孔），另一種用以電極層、蓋板和結構層外圈密封結構的接地（圖3右孔）。

圖3 剖面示意圖Fig.3 Structural cross-section diagram of the accelerometer

本文中加速度計采用圓片級硅-硅鍵合封裝，該工藝對圓片表面質量要求較高，在流片過程中有必要對硅片表面進行保護，避免損傷或污染?；诖?，本文加速度計的工藝流程設計如圖4。

圖4 工藝流程Fig.4 Process flow of theaccel erometer

首先制作用以芯片封裝的蓋板和用以電信號引出的電極引出層。

選用100晶向p型硅片，采用熱氧工藝在硅片表面氧化一層厚度約8000? 的SiO2；采用該SiO2層作為濕法腐蝕的掩膜，利用KOH 溶液在其中一面腐蝕出一個深度約20μm 的空腔，此即蓋板。將蓋板表面剩余的SiO2漂洗干凈備用。

另取一氧化片，以SiO2層為掩膜，采用DRIE 工藝刻蝕出深度約80μm的盲孔和間隙；將圓片去膠、清洗并沉積一層厚度約800? 的Si3N4；以該Si3N4膜層為掩膜，從圓片的另一面采用KOH 溶液濕法腐蝕錐形孔直至與干法刻蝕的盲孔貫穿，形成導通孔；去除剩余的Si3N4和SiO2膜層，然后采用熱氧工藝在圓片及導通孔表面制備一層厚度約2μm的SiO2絕緣層，此即電極引出層圓片。

將電極引出層圓片與一50-1-300μm 的SOI片的結構層硅-硅鍵合，然后采用干法刻蝕去除SOI片的支撐層，再將埋層的SiO2漂洗干凈，完成圓片減??；將減薄后的圓片清洗、光刻、干法刻蝕，完成加速度計敏感結構制作。將刻蝕完成的圓片去膠、清洗，并與準備好的蓋板圓片硅-硅鍵合，完成加速度計芯片的圓片級封裝；最后采用反應離子刻蝕將接地孔中的SiO2刻蝕干凈，蒸鍍Al完成引線電極制作。

圖5 V191101號圓片芯片測試結果Fig.5 Chiptest results of wafer 5V191101

流片完成的圓片先進行芯片篩選，測試合格后方可與電路一起封裝成整表。本文加速度計芯片篩選采用質量塊可動性測試方法[5]。圖5是一典型圓片的芯片測試結果統計，圓片上共有308只加速度計芯片，其中合格芯片198只，合格率約68%。圖6為劃片后加速度計芯片實物，尺寸約4×4×0.85mm3。

圖6 加速度計芯片實物Fig.6 The accelerometer chips

3 性能測試

本文加速度計電極引出層為硅材料，其與結構層間的SiO2絕緣層厚度約2μm，錨點、電極引線與電極引出層間存在較大的寄生電容，其簡化模型如圖7，其中C1和C2為有效電容，Cm-g為敏感質量錨點及其電極引線與電極引線層間的寄生電容，Cp1和Cp2為固定梳齒及其引線與電極引線層間的寄生電容。為了消除寄生電容的影響，芯片使用時須將電極G 接地。

圖7 寄生電容模型Fig.7 Parasitic capacitance model

為了對本文加速計的性能進行評估，隨機抽取8只合格加速度計芯片與模擬ASIC電路低應力陶瓷管殼封裝（如圖8），封裝尺寸為12.7×12.7×3.25mm3。

圖8 加速度計陶瓷管殼封裝Fig.8 The accelerometer packaged in cera micshell

使用加速度計測試系統對該8 只加速度計的零偏、標度因數等技術和性能指標進行測試。

1）常溫條件下，采用四點法測試加速度計的零偏和標度因數。

測試結果如表2，8 只加速度計的零偏均小于200 mg，標度因數約80 mV/g，量程大于±50g。

表2 零偏和標度因數Tab.2 Zero deviation and scale factor of the accelerometers

2）常溫條件下，測試加速度計的0g輸出穩定性。

測試時間為1 h，8 只加速度計的0g輸出穩定性均小于100 μg（1σ）。圖9為1#加速度計上電1 h 的輸出曲線。

圖9 1#加速度計0 g 穩定性Fig.9 Stability of No.1 accelerometer at 0 g

3）常溫條件下，測試加速度計的零偏和標度因數穩定性。

一次通電條件下，連續測試7 次四點法，計算每次四點法加速度計的零偏和標度因數，取7 次測試結果的標準差，得8 只加速度計的零偏和標度因數穩定性如表3。該8 只加速度計的零偏穩定性均優于100 μg（1σ），標度因數穩定性均小于30 ppm。

4）常溫條件下，測試加速度計的零偏和標度因數重復性。

常溫保溫1 h，采用四點法測試得到加速度計的零偏和標度因數，然后斷開加速度計電源，1 h 后重新上電，進行第2 次四點法測試，如此重復測試7 次。求得7 次測試零偏和標度因數的標準差，得8 只加速度計的零偏和標度因數重復性，結果如表4。該8 只加速度計的零偏重復性均優于100 μg（1σ），標度因數重復性均小于30 ppm。

表3 零偏和標度因數穩定性Tab.3 Zero deviation and scale factor stability

表4 零偏和標度因數重復性Tab.4 Zero deviation and scale factor repeatability of the accelerometer

5）溫度滯環測試。

將加速度計置于 0g位置，測試加速度計在-40 °C～+70 °C 升降溫過程中的輸出，8 只加速度計的零偏全溫漂移均小于20 mg。典型的溫度滯環曲線如圖10所示，該加速度計的零偏全溫變化約為18 mg，最大滯環小于1 mg。

圖10 溫度滯環曲線Fig.10 Temperature hysteresis curve of the accelerometer

4 結 論

本文介紹了一種圓片級封裝的全硅梳齒電容式MEMS 加速度計的設計、制造和測試。小批量測試結果顯示該加速度計標度因數約80 mV/g，0g輸出穩定性優于100 μg（1σ），短期零偏穩定性和重復性均優于100 μg（1σ），-40 °C～+70 °C 范圍內的零偏漂移小于20 mg。該加速度計形態優異，性能良好，能夠滿足小型化慣性測量單元的集成需求，具備較廣的應用潛力。