MEMS加速度計(jì)作為微納電子領(lǐng)域的核心器件，憑借體積小、功耗低、靈敏度高的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車自動(dòng)駕駛、航空航天導(dǎo)航和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。在各類MEMS加速度計(jì)中，電容式三軸MEMS加速度計(jì)因能同時(shí)檢測三個(gè)方向加速度成為研究熱點(diǎn)，但傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案仍存在軸間串?dāng)_、檢測精度不足、封裝體積大等技術(shù)難題，亟需通過結(jié)構(gòu)與工藝的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)突破。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對上述問題，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所寧瑾研究員及其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種電容式三軸MEMS加速度計(jì)，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，該器件在靈敏度和低噪聲方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，為高精度運(yùn)動(dòng)感測提供了有前景的解決方案。相關(guān)研究成果以“基于SOI-MEMS工藝的新型電容式三軸MEMS加速度計(jì)”為題發(fā)表在《微納電子技術(shù)》期刊上。
在這項(xiàng)工作中，研究人員采用單器件內(nèi)分立三個(gè)質(zhì)量塊的嵌套設(shè)計(jì)，將器件整體尺寸控制在1800 μm × 1910 μm，實(shí)現(xiàn)了小型化。同時(shí)，對面內(nèi)檢測的X、Y軸質(zhì)量塊彈簧梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在結(jié)構(gòu)中加入自檢測與限位防撞結(jié)構(gòu)。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的網(wǎng)狀梁結(jié)構(gòu)可有效隔絕77%的位移擾動(dòng)，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)自檢測功能，限位防撞裝置可確保器件安全工作。在制備工藝方面，研究人員基于絕緣體上硅（SOI）晶圓基底，融合Bosch深硅刻蝕與氣相氫氟酸（VHF）工藝，實(shí)現(xiàn)了器件的高深寬比結(jié)構(gòu)的懸空制備。
圖1 電容式三軸MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)圖
圖2 傳感器SOI工藝制備流程示意圖
圖3 加速度計(jì)芯片封裝方案圖
在室溫條件下，該三軸MEMS加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)為513270 LSB/g，具有較高的數(shù)字輸出靈敏度；器件X、Y、Z三軸的均方根（RMS）噪聲分別低至0.23 mg、0.25 mg和0.29 mg，噪聲信號功率譜密度分別為26 μg/√Hz、29 μg/√Hz和33 μg/√Hz，偏置不穩(wěn)定性分別為10.62 μg、11.75 μg和12.00 μg，展現(xiàn)出低噪聲、高精度的檢測特性。
圖4 零輸出曲線
圖5 噪聲信號功率譜密度圖
圖6 Allan方差圖
綜上所述，這項(xiàng)研究提出的新型電容式三軸MEMS加速度計(jì)，驗(yàn)證了SOI-MEMS工藝在高精度MEMS器件制備中的可行性，并通過結(jié)構(gòu)與工藝創(chuàng)新，突破了傳統(tǒng)三軸MEMS加速度計(jì)的性能瓶頸，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、低噪聲、小型化的綜合性能優(yōu)勢，為高精度運(yùn)動(dòng)感測領(lǐng)域提供了有前景的解決方案。
論文信息：
DOI: 10.13250/j.cnki.wndz.25100401
