硅四层键合MEMS电容式加速度传感器研究

来源 :中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所) | 被引量 : 2次 | 上传用户:yu555497
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电容式微加速度传感器具有分辨率高、动态范围大、温度特性好等优点,可以广泛应用在对性能要求较高的领域,如惯性导航、空间微重力测量及石油勘探等。其结构通常可以分为梳齿式和三明治式两种。梳齿结构工艺比较简单,但受DRIE工艺的最大深宽比的限制(约25:1),这种结构较难兼顾厚质量块和小电容间隙,因而检测精度一般偏低。三明治结构的加速度传感器虽然在工艺方面比较复杂,但容易实现高的检测精度。首先,对三明治结构加速度传感器进行了整体设计。传感器为四层硅结构,上下两层为固定电极层,中间两层为硅—硅键合的双面梁—质量块结构,即在质量块的上下两面各制作4根对称的梁,从而有效地抑制了器件的交叉轴灵敏度。器件的总尺寸为6.8mm×5.6mm×1.72mm,其中敏感质量块尺寸为3.2mm×3.2mm×0.86mm,质量约为17.5mg,梁的刚度约为337.6N/m,检测电容间隙3.5μm,器件在敏感方向的谐振频率为700Hz,1g下的差分电容变化达7.52pF。在真空封装后,传感器的热机械噪声将小于1μg。然后,对加速度传感器制作过程中的关键工艺进行了研究。采用硅硅直接键合技术实现中间对称梁质量块结构的制作,然后采用硼硅玻璃软化键合方法完成上、下电极的键合,并同时实现了圆片级真空封装。对于三明治加速度传感器,质量块层电极的引出是一个难点。通过采用引线腔的方法仅用一次蒸铝就同时获得上极板和质量块层的引线电极。最后,对所制作的加速度传感器进行了初步的性能测试。测试结果表明,器件的漏率小于0.1×10-9atm cc/sec,差分电容变化约为6.5pF/g,品质因子为146,谐振频率为745Hz。配上数模混合的ASIC电路后,这个器件完全可以达到亚μg级的检测精度。
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