2012年第10期
仪表技术与传感器
Instrument
Technique
and
Sensor2012No.10
微机械电容式加速度传感器的设计与加工工艺
胥
震，欧阳清，施冠羽，易定和
（海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉430033）
摘要：对定齿偏置电容式加速度传感器进行了参数设计和优化。通过有限元仿真分析软件计算出其特征频率与典型振动模态，结果表明：传感器具有较大的频率响应范围，检测模态特征频率远小于其他模态，有效减小了交叉干扰。最后，给出了基于MEMS技术的电容式加速度传感器的加工工艺。关键词：微机电系统；电容传感器；有限元仿真分析；加工工艺中图分类号：TP212
文献标识码：A
文章编号：1002－1841（2012）10－0001－03
DesignandFabricationProcessofMicro-machined
CapacitiveAccelerationSensor
XUZhen，OUYANGQing，SHIGuan-yu，YIDing-he
（CollegeofNavalArchitectureandPower，NavalUniversityofEngineering，Wuhan430033，China）
Abstract：Theparametersofamicro-capacitiveaccelerometerwerediscussedandoptimized．Thenaturalfrequencyandtypicalmodalanalysiswerecarriedoutbysimulationoffiniteelementmethod．Theresultsshowthatthefrequencyresponserangeiswideandthemeasuringmodalfrequencyisfarbelowothermodes，thecross-couplingerrorcanbedecreasedeffectively．ThefabricationprocessbasedonMEMStechnologyformakingthemicro-capacitiveaccelerationsensorwaspresented．Keywords：MEMS；capacitiveaccelerometer；simulationoffiniteelementmethod；fabricationprocess0
引言
electro-mechanicalSystem，MEMS）基于微机电系统（Micro-mechanical-accelerometer，技术的微机械加速度传感器（Micro-MMA）具有体积小、质量轻、启动快、功耗低、易集成、可靠性好、抗过载能力强和成本低廉等诸多优点，在航空航天、汽车技术、机器人技术、工业自动化、掌上电子产品等诸多领域得到了广泛的应用
［1－3］
。根据其敏感信号方式，可以分为微型电容式加
［4－6］
图1电容式微机械加速度传感器结构示意图
速度传感器、微型压阻式加速度传感器、微型压电式加速度传感器和微型隧道电流式加速度传感器等1
。
微机械电容式加速度传感器的工作原理
在微机械电容式加速度传感器中，采用一个惯性质量块作为敏感检测质量，检测电容的一个极板制作在惯性质量块上（图1（a））。有加速度作用时惯性质量块会沿检测敏感方向（y向）运动，从而改变质量块上可动极板与衬底上固定极板之间的电容值，通过对该电容值的测量即可得到加速度的值。这种结构的传感器受环境影响较大，检测信号容易被干扰噪声淹没，难以一般采满足高灵敏度和高精度要求。因此在工程实际应用中，用差动结构（图1（b））。差动测量的两部分受到的干扰噪声信号基本一致，可以通过差分计算有效提高传感器的信噪比。
shapedMicro-ma-梳齿式硅微机械加速度传感器（Finger-chinedSiliconAccelerometer，FMSA）是目前应用最广泛的电容式加速度传感器之一，根据其结构的不同，可将其分为表面加工定齿均置式加速度传感器和体硅加工定齿偏置式加速度传感器。
表面加工定齿均置式加速度传感器的一般结构如图2所包括一个中央齿示。传感器的敏感检测质量是双侧梳齿结构，
枢和从中央齿枢向两侧伸出的活动梳齿；活动梳齿相对于齿枢对称，固定梳齿在活动梳齿两侧均等距离对称布置，每对固定梳齿都与活动梳齿构成差分电容。当受到加速度作用时，敏感质量元件的运动会导致活动梳齿两侧的电容一个增大，一个减小，通过检测产生的差分电容可以得到加速度的数值。这种结构的主要优点是可以节省管芯版面尺寸，但其检测电容较小，传感器的分辨率和精度较低
。
图2
收稿日期：2011－10－06
收修改稿日期：2012－04－28
定齿均置式加速度传感器结构示意图
2InstrumentTechniqueandSensor
定齿偏置式加速度传感器的基本结构如图3所示。敏感
Oct.2012
可有效降低交叉耦合误差；弧形测方向刚度远小于其他方向，
部分结构圆滑，可避免局部应力集中现象的产生；梁自身具有应力释放作用，能抵抗加工过程及其他因素引起的结构变形，降低检测误差。在质量块上开矩形孔以减小检测质量，增大量使传感器能应用于更大的加速度范围。程，
由于检测梳齿刚度较小，在预载电压及形成的静电力的作用下很容易被固定梳齿吸附，使传感器失效。为防止梳齿吸附现象的出现并保证传感器有较强的抗冲击能力，需要设计传感如图4器止挡保护装置。该方案采用了内置式止挡保护结构，（b）所示，其主要优点是结构紧凑、版面利用率较高，并且挠性梁可以设计成等臂长的对称结构，在刚度不变的情况下减小了梁的尺寸
。
检测质量元件相对于衬底悬空，与折叠梁挠性连接，通过锚区固定于基片上；活动梳齿由质量元件向其两侧伸出，形成电容器的可动电容极板；固定梳齿直接固定于基片上，与活动梳齿总体形成差分电容。与定齿均置式不同的是，这种交错配置，
结构的活动梳齿与相邻的两个固定梳齿的距离不相等，离活动梳齿距离较近的固定梳齿与活动梳齿形成检测电容，距离较大一侧的电容值较小，可以忽略
［8］
。
图3定齿偏置式加速度传感器结构示意图
定齿偏置结构的主要优点是可以采用体硅加工工艺，检测电容数值较大，灵敏度和精度都优于定齿均置结构。在进行硅－玻璃键合工艺时，定齿均置结构的活动梳齿左右两侧的固定梳齿均为不同极性，需要单独键合，键合面积小，工艺难度较大；而定齿偏置结构中心线一侧的固定梳齿极性相同，可以一起键合，键合面积大，接触电阻小而均匀。2
微机械加速度传感器的设计及仿真分析
有限元仿真分析的基本思想是把具有无限个自由度的连使问题简化为适合续体理想化为有限个自由度的单元集合体，
于数值解法的结构型问题，然后将各个单元方程组合在一起形成总体方程组进行求解。在进行微机械传感器设计时借助有限元仿真分析软件可以方便地研究其静态和动态特性并进行9］利用有效地降低设计成本。文献［经济可靠的结构分析，
ANSYS软件对悬臂梁式硅微机械加速度传感器进行了设计仿真，研究了不同悬臂梁结构的特征频率及优缺点，分析了梁的尺寸参数对检测灵敏度的影响，并对传感器进行了模态分析，其敏感模态特征频率为209.8Hz
［9］
图4微机械电容加速度传感器几何模型
传感器可动部分的主要参数如下：质量块长Lm=1500μm，宽Wm=650μm；U型梁直梁长度Lu=600μm，宽Wu=10μm；U型梁弧顶部分外径Ru=35μm，与直梁同宽；梳齿长度Ls=500μm，宽度Ws=8μm；加速度计结构厚度为80μm．根据以上参数求得结构刚度为k≈101N/m，结构可动质量块总质量为m
－7
≈1.838×10kg．传感器可等效为一个单自由度振动系统，在真
。文献［10］对均布四梁结
构电容式加速度传感器进行了结构及工艺设计，并利用ANSYS软件对动态特性和量程等进行了分析，其敏感模态特征频率为510.44Hz［10］。
加速度传感器要求分辨率高、交叉灵敏度低并具有较强的抗干扰能力，一般要求传感器挠性结构梁在检测方向上刚度较小，而在其他方向上刚度较大。检测方向上较小的刚度可以提高传感器的灵敏度和分辨率，而其他方向刚度较大可以降低交叉耦合对传感器造成的影响，得到较好的离轴灵敏度。因而，传感器的二阶及以上模态的特征频率应远大于其检测模态特征频率
［7，11］
空封装条件下，其阻尼效应可以忽略，系统固有频率为：
f=1=2π2π
根据上式可求得：f≈3730Hz．利用有限元仿真方法进行传感器的模态分析，得出其一阶特征频率为f0=3749Hz，理论计算值与仿真分析值基本相符。加速度传感器的有效频率响应范围一般不大于0.2，因此，该传感器的频响范围约为0～750Hz．求得传感器的各阶模态参数有助于对其动态特性进行评价和修改，并验证其的有效性
［12］
m
。
该设计采用体硅加工定齿偏置结构，并选用综合性能较好的折叠梁作为传感器的挠性梁，以提供较高的灵敏度和较大的频率响应范围。传感器可动部分的几何模型如图4（a）所示。
U型梁的检提供系统刚性支撑的折叠梁采用U型梁设计，
。传感器的一阶到六阶振
动模态及特征频率如表1所示。
选取传感器的一阶到三阶模态进行分析。图5分别给出了各阶振型的立体变形图与x－y平面变形图。图5（a）为传
第10期
表1
胥震等：微机械电容式加速度传感器的设计与加工工艺
各阶振型的模态频率
3
（c）分别为传感器结构刚度较小，具有较大的灵敏度；图5（b）、的二、三阶振型。
其中二阶振型特征频率为14756Hz，沿z轴振动，三阶振型为沿x轴扭摆，均属于不希望发生的交叉干扰运动。传感器敏感检测模态特征频率与干扰模态特征频率相是其最大频响值的14倍。因此可以通过滤波等差约11kHz，
措施有效地衰减其他模态振动的影响，较好地避免交叉耦合现象的发生。
感器一阶振型仿真结果。由仿真分析结果可以看出：传感器一阶振型为沿y轴振动，属于敏感检测模态。在该方向上传感器
图5各阶振型特征频率
3微机械加速度传感器加工工艺设计
梳齿式微机械加速度传感器制作过程的核心工艺是芯片
Ethylene-diamine，Pyrocatechol
＆Water，或称EDP）湿法腐蚀工艺对硅片进行腐蚀，将硅片减薄到80μm．氢氧化钾（KOH）、氢氧化钠（NaOH）、氢氧化锂LiOH等金属碱性氢氧化物腐蚀剂中含有的金属离子会对硅片造成污染。EPW腐蚀则不会。
与玻璃衬底之间的键合技术和深反应离子刻蚀（DRIE）技术。键合技术的目的是将不同材料、表面结构和功能特性的圆片键合到一起，得到需要的结构。该设计采用阳极静电键合技术将硅晶片粘合到玻璃衬底上，其密封性较好且成本较低
［13－14］
。
深反应离子刻蚀是一种特殊的反应离子刻蚀技术，它可以加工侧壁陡直的高深宽比结构。DRIE具有刻蚀速度快、侧壁陡直、可在常温下刻蚀的特点，根据其掩膜形状可以非常容易地推断最终得到的三维刻蚀结构
［15－16］
。
传感器的加工工艺流程如下：
（1）选取厚度为150μm单晶硅片进行热氧化，得到1.5～2μm的二氧化硅保护层。硅片一面涂光刻胶进行保护，另一面涂光刻胶进行光刻，得到微机械加速度传感器的悬浮运动区域和结构悬起固定支撑区域。如图6（a）所示，采用图6（g）掩模板。
（2）清除硅片表面的SiO2，采用浓硼扩散工艺对硅片进行掺杂，使结构能与电极形成良好的欧姆接触，提高传感器性能。由于扩散浓度和范围主要受扩散持续时间和扩散温度的影响，因此需要严格控制扩散时间和温度。淀积温度约750℃，驱入温度约为1250℃．
（3）制备玻璃片，溅射金属电极层。考虑到后续的键合工艺，采用派莱克司7740号（Pyrex7740#）玻璃。在玻璃片正面厚度约1μm．溅射一层铝（Al），
（4）在玻璃片上金属电极一面涂覆光刻胶，进行光刻，利用浓磷酸溶液腐蚀表面溅射的铝，得到电极引线，采用图6（h）的掩模板。玻璃片与硅片采用硅－玻璃阳极对准高温键合工艺进行键合，温度为300℃，键合电压为1kV．由于键合是在高温下进行的，若键合材料热膨胀系数相差较大，在冷却时会产生热失配，产生较大的应力，甚至导致破碎。派莱克司7740（Py-rex7740#）号玻璃与硅片在300℃左右时膨胀系数十分接近，因此可以使其残余应力较小
［17］
。
（5）用有机类腐蚀剂EPW系统（乙二胺、邻苯二酚和水，
图6微机械电容式加速度计加工工艺流程及工艺版图
（下转第14页）
14InstrumentTechniqueandSensor
456．
Oct.2012
［2］HAYASHIT，TANAKAK，HARUTAM．Selectivevapor－phaseep-oxidationofpropyleneoverAu/TiO2catalystsinthepresenceofoxy-genandhydrogen．JournalofCatalysis，1998，178（2）：566－575．［3］HARUTAM，DATM．AdvancesinthecatalysisofAunanoparticles．
AppliedCatalysisA：General，2001（222）：427－437．
［4］SCHUBERTMM，HACKENBERGS，ANDREC，etal．COoxidation
oversupportedgoldcatalysts-"inert"and"active"supportmaterialsandtheirrolefortheoxygensupplyduringreaction．JournalofCataly-2001（97）：113－122．sis，
［5］IIZUKAY，TODET，TAKAOT，etal．Akineticandadsorptionstudy
ofCOoxidationoverunsupportedfinegoldpowerandovergoldsup-1999（187）：50－58．portedontitaniumdioxide．JournalofCatalysis，［6］
IIJIMAS．HelicalmicrotubulesofGraphiticCarbon．Nature，1991（354）：56－58．
［7］deHEERW．RecentdevelopmentsinCarbonNanotubes．CurrentO-1999（4）：355－359．pinioninSolidandMaterialScience，
［8］BARISCIJN，WALLACEGG，BANGHMANRH，etal．Electrochem-icalStudiesofSingle-wallcarbonNanotubesinAaqueousSolutions．J．Electronanl．Chem．2000（488）：92－98．
［9］DERYCKEV，MARTELR，APPENZELLERJ，etal．Carbonnanotube
interandintramolecularlogicgates．NanoLetts，2001，1（9）：453－
［10］张雁，康天放，郝玉翠．．基于铂/碳纳米管修饰电极的甲醛传感
2008，34（11）：1191－1195．器．北京工业大学学报，
［11］祝艳涛，方正，罗建波，等．甲醛气体传感器研究进展．中国测试
2008，34（1）：100－104．技术，
［12］马天．甲醛分析仪现场检测技术．中国测试技术，2005，31（5）：
131－133．
［13］祝艳涛．甲醛电化学传感器的研制：［学位论文］．成都：四川大
2008．学，
［14］JIANGLQ，GAOL．Modifiedcarbonnanotubes：aneffectivewayto
selectiveattachmentofgoldnanoparticles．Carbon，2003（41）：2923－2929．
［15］FRENSG．Controllednucleationfortheregulationoftheparticlesize
1973，inmonodispersegoldsuspensions．NaturePhysicalScience，241（105）：20－22．
［16］原鲜霞，王萌东，詹锋．MH－Ni电池镍电极的研究．电源技术，
2000，24（6）：315－318．
作者简介：方正（1963－），研究员，主要研究领域：标准物质制备方法、
化学计量量值溯源体系及传感器技术。E-mail：fz_nimtt@126．com
（上接第3页）
（6）利用深反应离子刻蚀（DRIE）技术对芯片进行刻蚀，释放电容式微机械加速度传感器的可动部分及固定梳齿。如图6（f）所采用图6（i）掩模板。深反应离子刻蚀工艺加工结果对器件的示，
成品率和性能都有至关重要的影响，是加工过程中最重要的一步。U型梁的过刻蚀会导致支撑梁刚度较差，甚至断裂。若刻蚀不足则会使器件的灵敏度降低。梳齿的刻蚀是直接影响器件性能的一个重要因素，过刻蚀和刻蚀不足都会导致可动梳齿与不动梳齿之间的差分电容产生变化，导致检测信号的失真。4
结束语
通过对电容式加速度传感器的讨论与分析，对定齿偏置微机械电容式加速度传感器进行了参数设计，进行了局部结构优化，利用有限元分析软件对其振动模态和特征频率进行了仿真分析。传感器的振动模态满足单轴加速度传感器的检测要求，有着较大的检测频率响应范围和较强的抗交叉干扰能力。最后设计了传感器的主要加工工艺，以阳极静电键合工艺对硅片与玻璃衬底进行键合，采用深反应离子刻蚀技术为核心加工工艺，以保证传感器的检测精度和灵敏度。参考文献：
［1］WENHK．TrendsandfrontiersofMEMS．SensorsandActuators，
2007，136：62－67．
［2］KUEHNELW，SHERMANS．Asurfacemicro-machinedsiliconaccel-erometerwithon-chipdetectioncircuitry．SensorsandActuators．1994，45：7－16．
［3］NAGELDJ，ZAGHLOULME．MEMS：Microtechnology．MegaIm-pactIEEECircuitsandDevicesMagazine，2001，17（2）：14－25．
［4］许国祯．硅微结构惯性传感器的研制现状及应用前景．中国惯性
1998，6（1）：59－67．技术学报，
［5］TANAKAM．AnindustrialandappliedreviewofnewMEMSdevices
features．MicroelectronicEngineering，2007（84）：1341－1344．
［6］娄利飞．微机电系统与设计．北京：电子工业出版社，2010．［7］董景新．微惯性仪表———微机械加速度计．北京：清华大学出版
2002．社，
［8］JUDYW，TAMAGAWAT，POLLAL．Surface-machinedmicromechan-icalmembranepump．Proc．ofMEMS＇91．IEEE，Nara，1991．：182－186．
［9］单光宝，魏海龙，刘佑宝．悬臂梁式硅微加速度传感器的设计仿
2003（3）：68－72．真．微电子学与计算机，
［10］程未，曾晓鹭，卞剑涛，等．基于MEMS技术的微电容式加速度传
2003，22（8）：75－77．感器的设计．传感器技术，
［11］董永贵．微型传感器．北京：清华大学出版社，2007．
［12］傅志方，华宏型．模态分析理论与应用．上海：上海交通大学出版
2000．社，
［13］徐泰然．MEMS和微系统———设计与制造．北京：机械工业出版
2004．社，
［14］GARDNERJW，VARADANVK，AWADELKARIMOO．Micro-sensors，MEMS，andsmartdevices．NewYork：JohnWiley＆Sons，Inc．，2001．
［15］GAOJX，YEOLP，CHANP，etal．Antistickpostpassivationofhigh-aspectratiosiliconmoldsfabricatedbydeep-reactiveionetching．2006，15（l）：84－93．JournalofMicro-electromechanicalSystems，
［16］LAERMERF，UTHANA．Milestonesindeepreactiveionetching，
The13thInternationalConferenceonSolid-StateSensorsandActua-torsandMicrosystems，2005，1118－1121．
［17］王琪民．微型机械导论．合肥：中国科学技术大学出版社，2003．作者简介：胥震，在读硕士，研究方向为微机电传感器设计与应用。
E-mail：xuzhen－xz@163．com
2012年第10期
仪表技术与传感器
Instrument
Technique
and
Sensor2012No.10
微机械电容式加速度传感器的设计与加工工艺
胥
震，欧阳清，施冠羽，易定和
（海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉430033）
摘要：对定齿偏置电容式加速度传感器进行了参数设计和优化。通过有限元仿真分析软件计算出其特征频率与典型振动模态，结果表明：传感器具有较大的频率响应范围，检测模态特征频率远小于其他模态，有效减小了交叉干扰。最后，给出了基于MEMS技术的电容式加速度传感器的加工工艺。关键词：微机电系统；电容传感器；有限元仿真分析；加工工艺中图分类号：TP212
文献标识码：A
文章编号：1002－1841（2012）10－0001－03
DesignandFabricationProcessofMicro-machined
CapacitiveAccelerationSensor
XUZhen，OUYANGQing，SHIGuan-yu，YIDing-he
（CollegeofNavalArchitectureandPower，NavalUniversityofEngineering，Wuhan430033，China）
Abstract：Theparametersofamicro-capacitiveaccelerometerwerediscussedandoptimized．Thenaturalfrequencyandtypicalmodalanalysiswerecarriedoutbysimulationoffiniteelementmethod．Theresultsshowthatthefrequencyresponserangeiswideandthemeasuringmodalfrequencyisfarbelowothermodes，thecross-couplingerrorcanbedecreasedeffectively．ThefabricationprocessbasedonMEMStechnologyformakingthemicro-capacitiveaccelerationsensorwaspresented．Keywords：MEMS；capacitiveaccelerometer；simulationoffiniteelementmethod；fabricationprocess0
引言
electro-mechanicalSystem，MEMS）基于微机电系统（Micro-mechanical-accelerometer，技术的微机械加速度传感器（Micro-MMA）具有体积小、质量轻、启动快、功耗低、易集成、可靠性好、抗过载能力强和成本低廉等诸多优点，在航空航天、汽车技术、机器人技术、工业自动化、掌上电子产品等诸多领域得到了广泛的应用
［1－3］
。根据其敏感信号方式，可以分为微型电容式加
［4－6］
图1电容式微机械加速度传感器结构示意图
速度传感器、微型压阻式加速度传感器、微型压电式加速度传感器和微型隧道电流式加速度传感器等1
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微机械电容式加速度传感器的工作原理
在微机械电容式加速度传感器中，采用一个惯性质量块作为敏感检测质量，检测电容的一个极板制作在惯性质量块上（图1（a））。有加速度作用时惯性质量块会沿检测敏感方向（y向）运动，从而改变质量块上可动极板与衬底上固定极板之间的电容值，通过对该电容值的测量即可得到加速度的值。这种结构的传感器受环境影响较大，检测信号容易被干扰噪声淹没，难以一般采满足高灵敏度和高精度要求。因此在工程实际应用中，用差动结构（图1（b））。差动测量的两部分受到的干扰噪声信号基本一致，可以通过差分计算有效提高传感器的信噪比。
shapedMicro-ma-梳齿式硅微机械加速度传感器（Finger-chinedSiliconAccelerometer，FMSA）是目前应用最广泛的电容式加速度传感器之一，根据其结构的不同，可将其分为表面加工定齿均置式加速度传感器和体硅加工定齿偏置式加速度传感器。
表面加工定齿均置式加速度传感器的一般结构如图2所包括一个中央齿示。传感器的敏感检测质量是双侧梳齿结构，
枢和从中央齿枢向两侧伸出的活动梳齿；活动梳齿相对于齿枢对称，固定梳齿在活动梳齿两侧均等距离对称布置，每对固定梳齿都与活动梳齿构成差分电容。当受到加速度作用时，敏感质量元件的运动会导致活动梳齿两侧的电容一个增大，一个减小，通过检测产生的差分电容可以得到加速度的数值。这种结构的主要优点是可以节省管芯版面尺寸，但其检测电容较小，传感器的分辨率和精度较低
。
图2
收稿日期：2011－10－06
收修改稿日期：2012－04－28
定齿均置式加速度传感器结构示意图
2InstrumentTechniqueandSensor
定齿偏置式加速度传感器的基本结构如图3所示。敏感
Oct.2012
可有效降低交叉耦合误差；弧形测方向刚度远小于其他方向，
部分结构圆滑，可避免局部应力集中现象的产生；梁自身具有应力释放作用，能抵抗加工过程及其他因素引起的结构变形，降低检测误差。在质量块上开矩形孔以减小检测质量，增大量使传感器能应用于更大的加速度范围。程，
由于检测梳齿刚度较小，在预载电压及形成的静电力的作用下很容易被固定梳齿吸附，使传感器失效。为防止梳齿吸附现象的出现并保证传感器有较强的抗冲击能力，需要设计传感如图4器止挡保护装置。该方案采用了内置式止挡保护结构，（b）所示，其主要优点是结构紧凑、版面利用率较高，并且挠性梁可以设计成等臂长的对称结构，在刚度不变的情况下减小了梁的尺寸
。
检测质量元件相对于衬底悬空，与折叠梁挠性连接，通过锚区固定于基片上；活动梳齿由质量元件向其两侧伸出，形成电容器的可动电容极板；固定梳齿直接固定于基片上，与活动梳齿总体形成差分电容。与定齿均置式不同的是，这种交错配置，
结构的活动梳齿与相邻的两个固定梳齿的距离不相等，离活动梳齿距离较近的固定梳齿与活动梳齿形成检测电容，距离较大一侧的电容值较小，可以忽略
［8］
。
图3定齿偏置式加速度传感器结构示意图
定齿偏置结构的主要优点是可以采用体硅加工工艺，检测电容数值较大，灵敏度和精度都优于定齿均置结构。在进行硅－玻璃键合工艺时，定齿均置结构的活动梳齿左右两侧的固定梳齿均为不同极性，需要单独键合，键合面积小，工艺难度较大；而定齿偏置结构中心线一侧的固定梳齿极性相同，可以一起键合，键合面积大，接触电阻小而均匀。2
微机械加速度传感器的设计及仿真分析
有限元仿真分析的基本思想是把具有无限个自由度的连使问题简化为适合续体理想化为有限个自由度的单元集合体，
于数值解法的结构型问题，然后将各个单元方程组合在一起形成总体方程组进行求解。在进行微机械传感器设计时借助有限元仿真分析软件可以方便地研究其静态和动态特性并进行9］利用有效地降低设计成本。文献［经济可靠的结构分析，
ANSYS软件对悬臂梁式硅微机械加速度传感器进行了设计仿真，研究了不同悬臂梁结构的特征频率及优缺点，分析了梁的尺寸参数对检测灵敏度的影响，并对传感器进行了模态分析，其敏感模态特征频率为209.8Hz
［9］
图4微机械电容加速度传感器几何模型
传感器可动部分的主要参数如下：质量块长Lm=1500μm，宽Wm=650μm；U型梁直梁长度Lu=600μm，宽Wu=10μm；U型梁弧顶部分外径Ru=35μm，与直梁同宽；梳齿长度Ls=500μm，宽度Ws=8μm；加速度计结构厚度为80μm．根据以上参数求得结构刚度为k≈101N/m，结构可动质量块总质量为m
－7
≈1.838×10kg．传感器可等效为一个单自由度振动系统，在真
。文献［10］对均布四梁结
构电容式加速度传感器进行了结构及工艺设计，并利用ANSYS软件对动态特性和量程等进行了分析，其敏感模态特征频率为510.44Hz［10］。
加速度传感器要求分辨率高、交叉灵敏度低并具有较强的抗干扰能力，一般要求传感器挠性结构梁在检测方向上刚度较小，而在其他方向上刚度较大。检测方向上较小的刚度可以提高传感器的灵敏度和分辨率，而其他方向刚度较大可以降低交叉耦合对传感器造成的影响，得到较好的离轴灵敏度。因而，传感器的二阶及以上模态的特征频率应远大于其检测模态特征频率
［7，11］
空封装条件下，其阻尼效应可以忽略，系统固有频率为：
f=1=2π2π
根据上式可求得：f≈3730Hz．利用有限元仿真方法进行传感器的模态分析，得出其一阶特征频率为f0=3749Hz，理论计算值与仿真分析值基本相符。加速度传感器的有效频率响应范围一般不大于0.2，因此，该传感器的频响范围约为0～750Hz．求得传感器的各阶模态参数有助于对其动态特性进行评价和修改，并验证其的有效性
［12］
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。
该设计采用体硅加工定齿偏置结构，并选用综合性能较好的折叠梁作为传感器的挠性梁，以提供较高的灵敏度和较大的频率响应范围。传感器可动部分的几何模型如图4（a）所示。
U型梁的检提供系统刚性支撑的折叠梁采用U型梁设计，
。传感器的一阶到六阶振
动模态及特征频率如表1所示。
选取传感器的一阶到三阶模态进行分析。图5分别给出了各阶振型的立体变形图与x－y平面变形图。图5（a）为传
第10期
表1
胥震等：微机械电容式加速度传感器的设计与加工工艺
各阶振型的模态频率
3
（c）分别为传感器结构刚度较小，具有较大的灵敏度；图5（b）、的二、三阶振型。
其中二阶振型特征频率为14756Hz，沿z轴振动，三阶振型为沿x轴扭摆，均属于不希望发生的交叉干扰运动。传感器敏感检测模态特征频率与干扰模态特征频率相是其最大频响值的14倍。因此可以通过滤波等差约11kHz，
措施有效地衰减其他模态振动的影响，较好地避免交叉耦合现象的发生。
感器一阶振型仿真结果。由仿真分析结果可以看出：传感器一阶振型为沿y轴振动，属于敏感检测模态。在该方向上传感器
图5各阶振型特征频率
3微机械加速度传感器加工工艺设计
梳齿式微机械加速度传感器制作过程的核心工艺是芯片
Ethylene-diamine，Pyrocatechol
＆Water，或称EDP）湿法腐蚀工艺对硅片进行腐蚀，将硅片减薄到80μm．氢氧化钾（KOH）、氢氧化钠（NaOH）、氢氧化锂LiOH等金属碱性氢氧化物腐蚀剂中含有的金属离子会对硅片造成污染。EPW腐蚀则不会。
与玻璃衬底之间的键合技术和深反应离子刻蚀（DRIE）技术。键合技术的目的是将不同材料、表面结构和功能特性的圆片键合到一起，得到需要的结构。该设计采用阳极静电键合技术将硅晶片粘合到玻璃衬底上，其密封性较好且成本较低
［13－14］
。
深反应离子刻蚀是一种特殊的反应离子刻蚀技术，它可以加工侧壁陡直的高深宽比结构。DRIE具有刻蚀速度快、侧壁陡直、可在常温下刻蚀的特点，根据其掩膜形状可以非常容易地推断最终得到的三维刻蚀结构
［15－16］
。
传感器的加工工艺流程如下：
（1）选取厚度为150μm单晶硅片进行热氧化，得到1.5～2μm的二氧化硅保护层。硅片一面涂光刻胶进行保护，另一面涂光刻胶进行光刻，得到微机械加速度传感器的悬浮运动区域和结构悬起固定支撑区域。如图6（a）所示，采用图6（g）掩模板。
（2）清除硅片表面的SiO2，采用浓硼扩散工艺对硅片进行掺杂，使结构能与电极形成良好的欧姆接触，提高传感器性能。由于扩散浓度和范围主要受扩散持续时间和扩散温度的影响，因此需要严格控制扩散时间和温度。淀积温度约750℃，驱入温度约为1250℃．
（3）制备玻璃片，溅射金属电极层。考虑到后续的键合工艺，采用派莱克司7740号（Pyrex7740#）玻璃。在玻璃片正面厚度约1μm．溅射一层铝（Al），
（4）在玻璃片上金属电极一面涂覆光刻胶，进行光刻，利用浓磷酸溶液腐蚀表面溅射的铝，得到电极引线，采用图6（h）的掩模板。玻璃片与硅片采用硅－玻璃阳极对准高温键合工艺进行键合，温度为300℃，键合电压为1kV．由于键合是在高温下进行的，若键合材料热膨胀系数相差较大，在冷却时会产生热失配，产生较大的应力，甚至导致破碎。派莱克司7740（Py-rex7740#）号玻璃与硅片在300℃左右时膨胀系数十分接近，因此可以使其残余应力较小
［17］
。
（5）用有机类腐蚀剂EPW系统（乙二胺、邻苯二酚和水，
图6微机械电容式加速度计加工工艺流程及工艺版图
（下转第14页）
14InstrumentTechniqueandSensor
456．
Oct.2012
［2］HAYASHIT，TANAKAK，HARUTAM．Selectivevapor－phaseep-oxidationofpropyleneoverAu/TiO2catalystsinthepresenceofoxy-genandhydrogen．JournalofCatalysis，1998，178（2）：566－575．［3］HARUTAM，DATM．AdvancesinthecatalysisofAunanoparticles．
AppliedCatalysisA：General，2001（222）：427－437．
［4］SCHUBERTMM，HACKENBERGS，ANDREC，etal．COoxidation
oversupportedgoldcatalysts-"inert"and"active"supportmaterialsandtheirrolefortheoxygensupplyduringreaction．JournalofCataly-2001（97）：113－122．sis，
［5］IIZUKAY，TODET，TAKAOT，etal．Akineticandadsorptionstudy
ofCOoxidationoverunsupportedfinegoldpowerandovergoldsup-1999（187）：50－58．portedontitaniumdioxide．JournalofCatalysis，［6］
IIJIMAS．HelicalmicrotubulesofGraphiticCarbon．Nature，1991（354）：56－58．
［7］deHEERW．RecentdevelopmentsinCarbonNanotubes．CurrentO-1999（4）：355－359．pinioninSolidandMaterialScience，
［8］BARISCIJN，WALLACEGG，BANGHMANRH，etal．Electrochem-icalStudiesofSingle-wallcarbonNanotubesinAaqueousSolutions．J．Electronanl．Chem．2000（488）：92－98．
［9］DERYCKEV，MARTELR，APPENZELLERJ，etal．Carbonnanotube
interandintramolecularlogicgates．NanoLetts，2001，1（9）：453－
［10］张雁，康天放，郝玉翠．．基于铂/碳纳米管修饰电极的甲醛传感
2008，34（11）：1191－1195．器．北京工业大学学报，
［11］祝艳涛，方正，罗建波，等．甲醛气体传感器研究进展．中国测试
2008，34（1）：100－104．技术，
［12］马天．甲醛分析仪现场检测技术．中国测试技术，2005，31（5）：
131－133．
［13］祝艳涛．甲醛电化学传感器的研制：［学位论文］．成都：四川大
2008．学，
［14］JIANGLQ，GAOL．Modifiedcarbonnanotubes：aneffectivewayto
selectiveattachmentofgoldnanoparticles．Carbon，2003（41）：2923－2929．
［15］FRENSG．Controllednucleationfortheregulationoftheparticlesize
1973，inmonodispersegoldsuspensions．NaturePhysicalScience，241（105）：20－22．
［16］原鲜霞，王萌东，詹锋．MH－Ni电池镍电极的研究．电源技术，
2000，24（6）：315－318．
作者简介：方正（1963－），研究员，主要研究领域：标准物质制备方法、
化学计量量值溯源体系及传感器技术。E-mail：fz_nimtt@126．com
（上接第3页）
（6）利用深反应离子刻蚀（DRIE）技术对芯片进行刻蚀，释放电容式微机械加速度传感器的可动部分及固定梳齿。如图6（f）所采用图6（i）掩模板。深反应离子刻蚀工艺加工结果对器件的示，
成品率和性能都有至关重要的影响，是加工过程中最重要的一步。U型梁的过刻蚀会导致支撑梁刚度较差，甚至断裂。若刻蚀不足则会使器件的灵敏度降低。梳齿的刻蚀是直接影响器件性能的一个重要因素，过刻蚀和刻蚀不足都会导致可动梳齿与不动梳齿之间的差分电容产生变化，导致检测信号的失真。4
结束语
通过对电容式加速度传感器的讨论与分析，对定齿偏置微机械电容式加速度传感器进行了参数设计，进行了局部结构优化，利用有限元分析软件对其振动模态和特征频率进行了仿真分析。传感器的振动模态满足单轴加速度传感器的检测要求，有着较大的检测频率响应范围和较强的抗交叉干扰能力。最后设计了传感器的主要加工工艺，以阳极静电键合工艺对硅片与玻璃衬底进行键合，采用深反应离子刻蚀技术为核心加工工艺，以保证传感器的检测精度和灵敏度。参考文献：
［1］WENHK．TrendsandfrontiersofMEMS．SensorsandActuators，
2007，136：62－67．
［2］KUEHNELW，SHERMANS．Asurfacemicro-machinedsiliconaccel-erometerwithon-chipdetectioncircuitry．SensorsandActuators．1994，45：7－16．
［3］NAGELDJ，ZAGHLOULME．MEMS：Microtechnology．MegaIm-pactIEEECircuitsandDevicesMagazine，2001，17（2）：14－25．
［4］许国祯．硅微结构惯性传感器的研制现状及应用前景．中国惯性
1998，6（1）：59－67．技术学报，
［5］TANAKAM．AnindustrialandappliedreviewofnewMEMSdevices
features．MicroelectronicEngineering，2007（84）：1341－1344．
［6］娄利飞．微机电系统与设计．北京：电子工业出版社，2010．［7］董景新．微惯性仪表———微机械加速度计．北京：清华大学出版
2002．社，
［8］JUDYW，TAMAGAWAT，POLLAL．Surface-machinedmicromechan-icalmembranepump．Proc．ofMEMS＇91．IEEE，Nara，1991．：182－186．
［9］单光宝，魏海龙，刘佑宝．悬臂梁式硅微加速度传感器的设计仿
2003（3）：68－72．真．微电子学与计算机，
［10］程未，曾晓鹭，卞剑涛，等．基于MEMS技术的微电容式加速度传
2003，22（8）：75－77．感器的设计．传感器技术，
［11］董永贵．微型传感器．北京：清华大学出版社，2007．
［12］傅志方，华宏型．模态分析理论与应用．上海：上海交通大学出版
2000．社，
［13］徐泰然．MEMS和微系统———设计与制造．北京：机械工业出版
2004．社，
［14］GARDNERJW，VARADANVK，AWADELKARIMOO．Micro-sensors，MEMS，andsmartdevices．NewYork：JohnWiley＆Sons，Inc．，2001．
［15］GAOJX，YEOLP，CHANP，etal．Antistickpostpassivationofhigh-aspectratiosiliconmoldsfabricatedbydeep-reactiveionetching．2006，15（l）：84－93．JournalofMicro-electromechanicalSystems，
［16］LAERMERF，UTHANA．Milestonesindeepreactiveionetching，
The13thInternationalConferenceonSolid-StateSensorsandActua-torsandMicrosystems，2005，1118－1121．
［17］王琪民．微型机械导论．合肥：中国科学技术大学出版社，2003．作者简介：胥震，在读硕士，研究方向为微机电传感器设计与应用。
E-mail：xuzhen－xz@163．com