加速度傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)以及芯片的微加工

傳感器作為故障信息監(jiān)測(cè)與診斷的數(shù)據(jù)來源,其對(duì)工程裝備工作參數(shù)的拾取精度直接決定了后續(xù)故障診斷的準(zhǔn)確度,是機(jī)械故障信息監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵器件。隨著無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用以及制造裝備智能化發(fā)展的趨勢(shì),當(dāng)前所用的壓電式加速度傳感器由于成本、體積等方面的原因逐漸不能滿足工業(yè)實(shí)際需求;因此,將具有微型化與可大規(guī)模生產(chǎn)等潛力的MEMS傳感器應(yīng)用于機(jī)械故障信息監(jiān)測(cè)中,可為制造裝備集成化、智能化發(fā)展提供必要的器件支持。綜合各類傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)以及機(jī)械制造裝備故障檢測(cè)對(duì)測(cè)振傳感器的性能需求，本文以3種不同結(jié)構(gòu)的壓阻式MEMS加速度傳感器為對(duì)象,介紹了微型測(cè)振加速度傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)以及微加工工藝，針對(duì)傳感器固有頻率與測(cè)量靈敏度之間的制約關(guān)系,提出“小變形-大應(yīng)力”的敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,并根據(jù)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與微加工工藝能力制定傳感器芯片制作流程。加速度傳感器工作原理壓阻式傳感器利用材料的壓阻效應(yīng)將物理量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的方式來實(shí)現(xiàn)信號(hào)測(cè)量。目前,壓阻式加速度傳感器多采用如圖1所示的“梁-質(zhì)量塊”結(jié)構(gòu),主要包括質(zhì)量塊、支撐梁和壓敏電阻3個(gè)基本元件。

當(dāng)傳感器受到加速度作用時(shí),質(zhì)量塊在慣性力的作用下發(fā)生與加速度成比例的位移,帶動(dòng)支撐梁發(fā)生彎曲變形,產(chǎn)生應(yīng)力。由于硅的壓阻效應(yīng),壓敏電阻在應(yīng)力作用下阻值變化,后經(jīng)過惠斯通電橋輸出與加速度成比例的電壓,實(shí)現(xiàn)加速度信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換,如圖2所示。

圖1 梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)圖

圖2 壓阻式傳感器工作過程在加工傳感器芯片過程中,通常采用離子注入工藝在傳感器應(yīng)力最敏感區(qū)域制作4個(gè)等值的壓敏電阻以提高傳感器的測(cè)量靈敏度。然后由芯片上的金屬引線將壓敏電阻連接成惠斯通電橋,由外接恒壓源或恒流源激勵(lì)工作。當(dāng)傳感器工作時(shí),惠斯通電橋能夠有效地將壓敏電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),且壓阻式傳感器的電壓輸出與加速度輸入成線性關(guān)系。

傳感器的敏感結(jié)構(gòu)

加速度傳感器的主要性能指標(biāo)包括測(cè)量靈敏度、固有頻率、輸出線性度以及可用量程等，其中測(cè)量靈敏度與固有頻率是決定傳感器應(yīng)用范圍的重要指標(biāo)。對(duì)于某一結(jié)構(gòu)的傳感器來說,提升固有頻率則必須增加結(jié)構(gòu)剛度、減小質(zhì)量塊,而這必然會(huì)減小結(jié)構(gòu)的靜態(tài)變形,造成敏感結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力減小,降低傳感器靈敏度;反之,提升傳感器測(cè)量靈敏度也會(huì)造成傳感器固有頻率的下降。因此,緩解固有頻率與測(cè)量靈敏度之間的制約關(guān)系,設(shè)計(jì)具有高頻響、高靈敏度的敏感結(jié)構(gòu)成為機(jī)械故障信息監(jiān)測(cè)用MEMS加速度傳感器研制中的重點(diǎn)。

為了解決上述問題,本文以“小變形-大應(yīng)力”為設(shè)計(jì)思想,尋求合適的傳感器敏感結(jié)構(gòu),使傳感器具有較大結(jié)構(gòu)剛度的同時(shí),壓敏電阻所處位置仍有較大的敏感應(yīng)力,以提高傳感器靈敏度,并據(jù)此設(shè)計(jì)了具有梁膜結(jié)構(gòu)、孔縫雙橋結(jié)構(gòu)以及復(fù)合多梁結(jié)構(gòu)的3種壓阻式加速度傳感器。

圖3 ? 梁膜結(jié)構(gòu)示意圖

梁膜結(jié)構(gòu)（圖3）是對(duì)傳統(tǒng)懸臂梁結(jié)構(gòu)的改進(jìn),提升了傳感器的固有頻率,降低了傳感器的橫向交叉干擾,同時(shí)較小的膜結(jié)構(gòu)厚度可以減小固有頻率上升對(duì)傳感器靈敏度的影響。

圖4 孔縫雙橋結(jié)構(gòu)示意圖

孔縫雙橋結(jié)構(gòu)（圖4）和復(fù)合多梁結(jié)構(gòu)（圖5）均以傳統(tǒng)雙橋結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),前者通過引入應(yīng)力集中孔縫,在提升傳感器靈敏度的同時(shí)減小敏感結(jié)構(gòu)的剛度流失;后者引入短小敏感梁,在提升傳感器固有頻率的同時(shí),利用結(jié)構(gòu)的應(yīng)變放大作用為傳感器提供較高測(cè)量靈敏度。

圖5 復(fù)合多梁結(jié)構(gòu)示意圖

傳感器芯片的微加工

MEMS加工工藝源于IC制造,大量繼承了包括光刻、薄膜淀積、注入擴(kuò)散、干法和濕法刻蝕等在內(nèi)的IC制造技術(shù)。除此以外,MEMS也有一些特有的工藝,例如犧牲層技術(shù)、各向異性刻蝕、反應(yīng)離子深刻蝕、光刻模鑄造電鍍成型、雙面光刻、鍵合等技術(shù)。在傳感器的微加工工藝中有以下關(guān)鍵技術(shù)需要注意：

1）濕法腐蝕與凸角補(bǔ)償。

2）離子注入。

3）ICP蝕刻。

4）硅-玻璃陽(yáng)極鍵合。

由于3種結(jié)構(gòu)加速度傳感器的工藝流程類似,本文以復(fù)合多梁結(jié)構(gòu)為例,簡(jiǎn)要介紹加速度傳感器主要的加工流程。加速度傳感器的加工材料包括厚度為400μm、直徑為100mm的n型（100）晶面雙拋單晶硅片與厚度為500μm的Pyrex7740玻璃片。整個(gè)加工流程需要8塊掩模板,其中7塊用于加工傳感器的硅質(zhì)結(jié)構(gòu)以及壓敏電阻、金屬引線等,剩余1塊用于沉積玻璃片上的防吸附金屬電極。傳感器工藝流程如下：

1）清洗硅片,雙面熱氧化得到SiO2層.

2）硅片的壓敏電阻P-區(qū)硼摻雜至需求濃度.

3）在金屬接觸區(qū)硼離子注入,形成P+區(qū)域

4）濺射金屬,正面光刻,形成鋁引線.

5）正面保護(hù),背面ICP刻蝕形成質(zhì)量塊活動(dòng)阻尼間隙.

6）使用低壓化學(xué)氣相沉積淀積Si3N4層,同時(shí)沉積SiO2層以減小薄膜應(yīng)力,形成KOH腐蝕的掩模層.

7）背面光刻,刻蝕背面SiO2和Si3N4,形成KOH腐蝕的掩模層,掩模版同時(shí)提供活動(dòng)質(zhì)量塊的凸角補(bǔ)償圖形,背面KOH各向異性腐蝕,形成活動(dòng)質(zhì)量塊,正面ICP釋放形成復(fù)合多梁結(jié)構(gòu).

8）硅片通過陽(yáng)極鍵合技術(shù)粘結(jié)具有防吸附電極的玻璃片,之后劃片,完成工藝過程,得到傳感器芯片。

加工完成后的芯片CCD照片如圖6所示。

圖6 加工所得傳感器芯片本文中的MEMS加速度傳感器采用可與IC工藝集成的加工技術(shù),其低成本、微型化以及可大規(guī)模生產(chǎn)的潛力可使MEMS傳感器在未來智能化機(jī)械裝備故障信息無線監(jiān)測(cè)中得到大量應(yīng)用,替代目前常用的較昂貴的壓電式加速度傳感器。同時(shí)“小變形-大應(yīng)力”是高頻響、高靈敏度加速度傳感器設(shè)計(jì)中行之有效的設(shè)計(jì)思路。梁膜結(jié)構(gòu)引入的小厚度膜結(jié)構(gòu)、孔縫雙橋傳感器引入的應(yīng)力集中孔縫以及復(fù)合多梁結(jié)構(gòu)引入的短小敏感梁均在一定程度上提升了傳感器的性能。