利用表面微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)加速度檢測(cè)創(chuàng)新

表面微加工是一種用來構(gòu)建硅機(jī)電結(jié)構(gòu)的技術(shù)。 結(jié)合板載信號(hào)調(diào)理電路，可將完整的機(jī)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)高效地構(gòu)建在單個(gè)硅片上。 用于汽車安全氣囊的加速度計(jì)是第一款成功商用的表面微加工傳感器。 此后，人們往各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了探索。 最新的開發(fā)工作關(guān)注三個(gè)方面： 提高加速度計(jì)性能、更高的集成度和新功能。 開發(fā)了兩款低g加速度計(jì)，其中一款可以解析5 mg信號(hào)，另一款采用Σ-Δ環(huán)路實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出。 很多工作都圍繞著新功能展開，而最新開發(fā)工作包括表面微加工速率陀螺儀。

什么是表面微加工？

在多晶硅的基礎(chǔ)上形成結(jié)構(gòu)，并采用SiO2犧牲氧化層鑄模。 使用標(biāo)準(zhǔn)集成電路光刻技術(shù)存放SiO2圖案層， 然后是結(jié)構(gòu)化多晶硅圖案層。 在此之后，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行蝕刻，以便移除犧牲層，留下一個(gè)無支撐多晶硅結(jié)構(gòu)。 該結(jié)構(gòu)通常高于晶圓表面1.6 uM，橫向特性的排列順序相同。 由于采用了標(biāo)準(zhǔn)集成電路技術(shù)，該工藝可很好地與標(biāo)準(zhǔn)晶圓制造工藝整合。 這便使得一致且可重復(fù)的低成本量產(chǎn)成為可能。

什么造就了表面微加工的多樣化？

微加工結(jié)構(gòu)具有較小的特性尺寸，因而在同一塊芯片內(nèi)放置電路和傳感器的成本低廉。 這與體微加工等受限于尺寸的其它微加工技術(shù)有所不同。 體微加工工藝適合用來構(gòu)建壓力傳感器。 薄膜的構(gòu)建可能十分簡(jiǎn)單，且將物理壓力施加于硅片背面可簡(jiǎn)化將傳感器與外部世界相連的問題。 然而，在運(yùn)動(dòng)感測(cè)和共振結(jié)構(gòu)中，要求使用更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而體微加工有點(diǎn)捉襟見肘。 體微加工采用各向異性蝕刻技術(shù)，切割硅晶圓或石英晶圓，從而創(chuàng)造出結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)的特性尺寸由晶圓厚度以及蝕刻角度確定。 諸如晶圓鍵合等工藝可用來削減晶圓厚度，但哪怕采用了這項(xiàng)先進(jìn)的工藝，加速度計(jì)傳感器尺寸通常也會(huì)達(dá)到10mm2，而典型的表面微加工結(jié)構(gòu)尺寸要小10倍(

該結(jié)構(gòu)的尺寸形狀遠(yuǎn)超人們的想象。 將機(jī)械結(jié)構(gòu)置于晶圓表面以上，可讓傳感器在所有三個(gè)軸X、Y和Z上移動(dòng)。典型的傳感器構(gòu)建塊是拉伸和非拉伸彈簧、差分電容檢測(cè)單元和靜電驅(qū)動(dòng)板。 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)一般采用差分電容結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)是特定位移的電容變化與微弱偏轉(zhuǎn)成一階線性關(guān)系，簡(jiǎn)化了信號(hào)調(diào)理任務(wù)。 使用差分容性板來傳遞靜電力，讓靈活的結(jié)構(gòu)前后移動(dòng)，通過感應(yīng)和誘發(fā)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)而將差分容性板用作執(zhí)行器。 通過板載信號(hào)調(diào)理電路，可以簡(jiǎn)化感測(cè)硅片移動(dòng)造成的電容變化的能力——這些變化有時(shí)十分微弱——從而降低寄生電容和噪聲干擾。

很多機(jī)電系統(tǒng)采用彈簧、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器和力引導(dǎo)器作為基礎(chǔ)構(gòu)建塊，因而體積很小。 第一款獲得商業(yè)成功的器件是±50 g機(jī)電伺服加速度計(jì)，一般采用金屬?gòu)椈伞q鏈和電磁鐵和硅構(gòu)建而成。 自此之后，衍生了眾多的演示項(xiàng)目，包括X、Y和Z加速度計(jì)、速率陀螺儀、流量計(jì)、機(jī)電濾波器、諧振加速度計(jì)、壓力傳感器和機(jī)電繼電器。 有意思的是，這些傳感器不僅僅是實(shí)驗(yàn)室探索的產(chǎn)物。 它們采用經(jīng)過驗(yàn)證的晶圓制造工藝制造，能以合理的價(jià)格實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

演示具有500 mg/Hz噪底的±5g力平衡加速度計(jì)

低g商業(yè)應(yīng)用中的加速度計(jì)結(jié)合了多種微加工工藝創(chuàng)新。 該器件的設(shè)計(jì)面臨著諸多挑戰(zhàn)。 最大的問題是降低封裝應(yīng)力耐受性；其次是改善信噪比，以便能夠分辨極小的加速度。這兩個(gè)問題都與傳感器波束的設(shè)計(jì)有關(guān)。圖1顯示±50 g氣囊傳感器波束與±5 g傳感器的新波束對(duì)比?！?0 g彈簧處于張力作用之下，拉動(dòng)四個(gè)定位點(diǎn)。雖然這款傳感器十分堅(jiān)固穩(wěn)定，它依然對(duì)封裝和芯片安裝位置傳遞到芯片的機(jī)械應(yīng)力敏感。用于±5 g器件的新傳感器波束采用"折疊波束"結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)僅有兩個(gè)定位點(diǎn)；這種環(huán)繞結(jié)構(gòu)減少了多晶硅的張力，使波束對(duì)封裝應(yīng)力不那么敏感。波束的順從性（即施加某個(gè)g力的波束偏轉(zhuǎn)）有所增加，每g的電容變化更大，因而信噪比更高。這使得加速度計(jì)有可能具有測(cè)量mg級(jí)信號(hào)的能力，對(duì)于傾斜測(cè)量和某些慣性測(cè)量應(yīng)用而言十分有用。波速的順從性雖然解決了部分問題，但又造成了其它問題。50 g器件的抗沖擊能力從2000 g下降到了1000 g。然而，性能由于加入了波束停止而得到了增強(qiáng)；波束停止可將波束的運(yùn)動(dòng)距離限制在安全距離內(nèi)。

帶數(shù)字輸出和1.6 mgHz噪聲性能的Z軸力平衡加速度計(jì)

也可以采用完全不同的方式，將波束構(gòu)建為對(duì)Z軸的偏轉(zhuǎn)敏感（與晶圓平面垂直）。這種設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)之一，在于僅有兩層多晶硅用于力板和感測(cè)板，無法使用差分電容結(jié)構(gòu)。 此設(shè)計(jì)使用靜電懸浮補(bǔ)償缺失的上板，提供6 g/V上拉力。電子將波束重新平衡至中心位置，允許芯片感測(cè)雙極性加速度信號(hào)。采用Σ-Δ力平衡環(huán)路讀取芯片偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，并提供力平衡信號(hào)以便將波束返回至中心位置，同時(shí)提供與加速度成正比的脈沖密度輸出。

此設(shè)計(jì)說明有能力形成Z軸，因而有能力以單芯片測(cè)量3軸加速度。 使用數(shù)字輸出方案可簡(jiǎn)化信號(hào)的后處理，并通過簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。

ARPA項(xiàng)目芯片

ADI公司為外部設(shè)計(jì)人員提供表面微加工技術(shù)。項(xiàng)目芯片定期執(zhí)行。 首款項(xiàng)目芯片與伯克利大學(xué)合作完成，將20種不同芯片部署到各種不同應(yīng)用中，包括X、Y和Z加速度計(jì)、速率傳感器、流量傳感器、濾波器、諧振器和時(shí)鐘芯片。

在不遠(yuǎn)的將來，我們會(huì)看到很多這樣的新設(shè)計(jì)投入商用。 提供經(jīng)過驗(yàn)證的構(gòu)建塊終將降低成本并縮短開發(fā)時(shí)間，同時(shí)允許在較短的時(shí)間段內(nèi)設(shè)計(jì)出復(fù)雜的集成功能。 未來將有可能實(shí)現(xiàn)在單個(gè)芯片上集成加速度、壓力、溫度和磁性感測(cè)。