低热机械噪声MEMS-加速度计设计.ppt

低热噪声MEMS加速度计设计主讲人：吕易俗.低热噪声MEMS加速度计加速度计的最小可分辨率是其应用的关键技术要求，为此需要发展低噪声、高灵敏度的MEMS 加速度传感器。噪声是影响加速度传感器应用的关键因素，主要包括热机械噪声和电路部分的电路噪声两部分。加速度计的热机械噪声是传感器的本底噪声，无法通过提高器件灵敏度或电路信号处理的方法降低，是限制加速度计可检测的最小加速度和最小变化量的基本因素。所以，MEMS 加速度计设计在考虑提高灵敏度的同时，还需要同时考虑降低其热机械噪声，尤其是对低噪声、高精度的高端应用。.噪声产生原理MEMS加速度计的热机械噪声主要来源于空气对加速度计的阻尼作用产生的随机噪声。本设计的加速度计采用对称变面积梳齿电容检测方式，其工作过程中产生的阻尼为滑膜阻尼，避免了压膜阻尼导致的噪声，大幅度降低了低热机械噪声。.器件设计传感器的结构主要由质量块、对称双端固支梁、可动垂直梳齿、固定垂直梳齿四部分组成。采用对称分布的双端固支梁连接质量块与固定支撑边缘，这样不仅可以保证器件结构对称，避免扭转运动，同时可以尽量增大不同模态谐振频率之间的间隔。质量块两侧对称均匀分布梳齿状的电容叉指，利用高深宽比硅刻蚀技术制作电容叉指，增大梳齿间的初始电容，从而提高灵敏度。.传感器的制作工艺与实现制作的变面积梳齿式加速度传感器由三层材料组成，由上至下分别为双抛硅片、SOI 片和Pyrex 7740 玻璃片，按其功能又称为盖板层、器件层和衬底层。.制作流程主要步骤1)SOI双面热氧化、光刻、腐蚀阻尼腔;2)去除氧化层，光刻，ICP深刻蚀去除可动结构下对应部分的SOI衬底硅:3)超声清洗，去除ICP刻蚀产生的侧壁残渣后，BOE腐蚀可动结构对应的窗口处的埋氧层;4)将具有膜结构的SOI片与未做图形的玻璃片进行阳极键合;5)SOI-glass键合片金属溅射，制作Au电极;6)PECVD生长5 102 nm氧化层、光刻、RIE刻蚀氧化层、制作待释放的梁及梳齿图形的掩模;.制作流程主要步骤7)ICP释放梁、质量块与梳齿结构。8)双抛硅片双面热氧化、光刻、腐蚀保护腔体和电极通孔;9)SOI-glass键合片与硅盖板进行BCB键合;10)ICP深刻蚀释放电极通孔;11)划片。.加速度计噪声特性分析与测试空气阻尼是产生MEMS 加速度计热机械噪声特性的原因。平板电容型加速度计工作时，电容极板间隙改变，两极板间空气受到挤压，产生较大的空气压膜阻尼。.变间隙梳齿式空气阻尼变间隙梳齿式加速度计的质量块的运动与衬底之间产生滑膜阻尼，但固定梳齿与可动梳齿之间产生压膜阻尼，仍然存在较大空气阻尼。.对称变面积梳齿式空气阻尼本设计的加速度计采用对称变面积梳齿电容检测方式，其工作过程中产生的阻尼为滑膜阻尼，避免了压膜阻尼导致的噪声，大幅度降低了低热机械噪声。同时，变面积加速度计工作过程中梳齿之间静电力始终可以相互抵消，避免了梳齿吸合，输出电容与待测加速度满足线性关系，不需要闭环反馈就具有良好的输出线性。.滑膜阻尼产生原理设计制作的加速度计工作时受到滑膜阻尼，避免了气流的挤压。本加速度计运动时受到四部分的阻尼力，分别为:1)质量块下平面与衬底之间滑膜阻尼;2)质量块上平面与盖板之间的滑膜尼;3)可动梳齿与固定梳齿之间的滑膜阻尼;4)器件结构边缘产生的拖拽阻尼。图4为各部分阻尼产生部位示意图。.测试结果梳齿变面积加速度计在降低热机械噪声方面具有突出的优势，在大气封装、无阻尼孔和阻尼槽的条件下就可以实现低噪声特性。利用振动台，网路分析仪与检测电路，对器件的频谱响应进行了测量，图5为测得的加速度计频谱响应曲线。可以看出:采用滑膜阻尼形式的传感器在没有阻尼孔，大气情况下仍然具有较高的Q值，实测到的Q值为455.06，谐振频率为741.5 Hz，加速度计量程为5gn，灵敏度为310 mV/gn。经计算热机械噪声为 0.021g/Hz，略高于理论值。由于侧蚀与过刻的影响导致梁的实际尺寸与设计值有微小偏差，因而，谐振频率低于理论计算值。.