基于表面微机械技术的压阻式加速度传感器

　　0 引言

　　MEMS压阻式加速度传感器具有结构简单，体积小，制造成本低，抗电磁干扰能力强等优点，应用十分广泛。目前，市场上主流的MEMS压阻式加速度传感器，是基于体硅微机械加工技术制造的。体硅微机械加工技术，一直以来被广泛用于MEMS器件尤其是加速度和压力传感器的生产制作中。然而，随着大规模集成电路技术的发展，传统的体硅微机械加速度传感器也暴露出体积大，不易与Ic工艺兼容和制造成本难以进一步降低以适应消费类电子市场廉价的需求等缺点，而与之相对应的表面硅微机械加工技术与集成电路工艺有很好的兼容性 ，在器件尺寸和成本上有进一步降低的潜力。但表面微机械加工技术中，用薄膜工艺制造大的惯性质量块比较困难，从而因惯性灵敏度过低限制了表面微机械技术在压阻式加速度传感器上的应用。

　　文中设计了一种基于表面微机械加工技术的压阻式加速度传感器。以低应力氮化硅薄膜为弹性结构材料，多晶硅为压阻材料，引人了准LIGA的电镀铜工艺，利用高质量密度的铜作为加速度传感器的惯性质量块单元。更为重要的是，利用电镀铜和硅片衬底形成了一对电极，实现了传感器的片上静电自检测功能。在传感器使用过程中，可以用该自检测功能来判断器件是否可以正常工作。在传感器芯片制造过程中，可用该自检测功能实现大圆片级的在线自检测，用静电力模拟惯性力来自动化测试每个芯片的好坏，为后续的选片和器件封装提供成品芯片，为大规模低成本的生产提供了便利。文中分别描述了该传感器的设计、制造和性能测试。

　　1 传感器设计

　　1.1 结构设计

　　设计的压阻式加速度传感器，利用表面微机械加工工艺，并用电镀铜技术在传感器的惯性质量块区域形成铜质量块。传感器结构原理如图1所示。

　　主体结构层为低应力氮化硅薄膜，在4个固支梁中间的质量块区域电镀了铜，形成质量块。4个氮化硅梁上分别集成有一个多晶硅压阻条，4个电阻构成惠斯通电桥。传感器的力学模型如图2所示。

　　考虑粱本身的质量远小于质量块的质量，可将设计结构简化为简单的弹簧一质量块模型。根据材料力学相关理论，以左侧梁为例，梁上表面应力的分布为

　　式中。 为氮化硅杨氏模量。计算的应力分布曲线如图3所示。从图中可以看出，梁上表面应力呈对称分布。梁根部和梁靠近质量块的部分应力最大，且符号相反。将压阻设计在应力最大的部位，可以获得最大的压阻输出。

　　1.2 传感器灵敏度