一种电容式微加速度计的结构设计和工艺仿真

　　MEMS 技术的发展有两个方面: 摸索改进和创建新的工艺方法和技术, 以制造出符合要求的MEMS 器件. 由于MEMS 器件是针对各种不同的应用, 所以其形状、变形、材料、输入输出介质等都不尽相同, 要求的制造工艺也将是各有特点, 远不是现有的工艺技术可能满足的. 因此, MEMS 工艺技术将是一个重大的长远的发展方向. 另一方面, 在已有的工艺技术条件下, 如果设计出既能实现特定的应用目的又能利用已有的工艺流水线将它制造出来就成为MEMS 技术的另一个重大的发展方向. 本文的研究主要是针对后者. 微加速度计的设计需要集成相关的制造和加工工艺, 这些工艺对微系统的性能产生非常大的影响, 所以必须在设计的同时予以考虑. 在设计中, 机电结构设计和工艺流程设计是相互交联的. 电容式微加速度计是利用质量块把加速度的变化转换成电容电极间极距的变化, 一般采用差分结构. 从制作工艺上, 电容式微型加速度计可分为两类: 表面工艺微型加速度计和体硅工艺微型加速度计. 表面微机械加工工艺通过对硅表面层的加工及牺牲层的腐蚀来获得微机械部件, 因此当被用于制作惯性传感器时, 所制得的器件的惯性质量和检测电容都很小. 而体硅微机械加工工艺, 可以制得具有较大惯性质量器件. 在传统的体硅微机械中, 玻璃-硅-玻璃的三明治结构通常被用来构成适合于检测电容变化的差分电容式结构. 但是. 玻璃难以加工, 在玻璃上加工出引线孔也必须采用特殊的工艺,而这些工艺不适合于批量加工. 用硅融键合工艺制得的硅-硅-硅三明治结构也可以用来制作差分电容结构, 但是这种结构通常具有较大的寄生电容. 通过把硅-玻璃阳极键合工艺同深槽刻蚀工艺相结合,可以获得一种特别适合于制作电容检测惯性传感器的加工技术[ 1-2] .

　　基于这种加工技术, 本文设计了一种横向电容式微加速度计, 将两种改变平行板电容的方法有效的结合在一起. 该结构的特点是: ①叉指结构设计在质量块附加的尾部, 当结构受到敏感方向的加速度载荷时, 叉指结构极板的正对面积发生变化, 这为结构的灵敏度的提高做出了较大的贡献; ②由于可动叉指受到的左右两边的静电力大小相等, 方向相反而相互抵消, 所以不受下拉电压的限制, 结构的静电力分析只需要考虑横向的惯性质量与固定极板所形成的差分电容; ③将两种改变电容变化的方法相结合, 同样保证了结构的线性度.

　　最后, 基于体积图形学( Vox e-l Based) 的虚拟工艺系统ZPro cess[ 3] , 对设计的机械结构进行了工艺仿真, 通过虚拟工艺仿真结果与设计进行比较, 论证了结构的基本可行性.

　　1 结构设计与性能分析