基于MEMS加速度微传感器制作工艺及测试

收稿日期：２００７－０４－２５基金项目：莆田市科技基金资助项目（２００５Ｇ２１）作者简介：郑志霞（１９７２－），女，福建莆田人，讲师，硕士，主要从事微机电系统研究。

０引言

随着微机电系统（ＭＥＭＳ）的发展，各种基于ＭＥＭＳ技术的器件应运而生，如压力传感器、加速度传感器、光开关等。它们体积小，质量轻，成本低，功耗低，可靠性强，易于智能化、数字化等优点得到广泛应用。加速度传感器是微传感器中发展较早的一种，目前研究比较成熟的有硅微电容式、硅微热电耦式、硅微谐振式等加速度传感器，国外已出现了光波导加速度传感器［１］。

本文研究的硅微电容式微加速度传感器是在硅微电容式压力传感器［２］的基础上设计出来的，工艺条件成熟、工艺过

程简单、易于批量生产。该传感器采用电容开关放大电路作为测试电路，测试电路利用方波激励信号把电容变化转换为电压输出，通过输出电压来测量物体的加速度。通过传感器的测试，确定该传感器测量精度高、稳定性好、工作范围良好。文章主要介绍基于ＭＥＭＳ技术的电容式加速度传感器的原理、制作工艺、测试电路及测试结果。

１电容式加速度传感器的原理

电容式加速度传感器是由质量块、硅膜片、悬梁、衬底、衬底电极和绝缘层构成，质量块在硅膜

文章编号：１６７２－４１４３（２００７）０５－００５９－０３

中图分类号：ＴＰ２１２

文献标识码：Ａ

基于ＭＥＭＳ加速度微传感器制作工艺及测试

郑志霞，薛建国，陈军

（莆田学院电子信息工程系，福建莆田３５１１００）

摘要：介绍了基于ＭＥＭＳ技术的微型加速度传感器的原理、制作工艺、测试电路及测试结果。设计原理是把

加速度变化转换为传感器的电容变化，制作上以硅－玻璃键合技术、玻璃和质量块的腐蚀工艺以及等离子刻蚀技术（ＩＣＰ）为主要的工艺过程。传感器的测试采用方波为激励信号，采用ＣＭＯＳ电路来提高测量电容的灵敏度。结果表明，该传感器性能稳定、线性范围广、灵敏度高。

关键词：ＭＥＭＳ技术；加速度传感器；测试电路

ＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄＴｅｓｔｉｎｇｏｆｔｈｅＣａｐａｃｉｔｉｖｅＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ

ＭｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒＢａｓｅｄｏｎＭＥＭＳ

ＺＨＥＮＧＺｈｉ－ｘｉａ，ＸＵＥＪｉａｎ－ｇｕｏ，ＣＨＥＮＪｕｎ

（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ＆ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＰｕｔｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｐｕｔｉａｎ３５１１００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｏｆａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｃａｐａｃｉｔｉｖｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒ

ｂａｓｅｄｏｎＭＥＭＳｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．

Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｉｓｔｏｔｒａｎｓｆｏｒｍｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆ

ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｔｏｔｈａｔｏｆｃａｐａｃｉｔｙ．ＴｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｃｌｕｄｅｄｔｈｅＢａｎｄｉｎｇｏｆｔｈｅｓｉｌｉｃｏｎａｎｄｔｈｅｇｌａｓｓ，ｔｈｅｅｔｃｈｉｎｇｏｆｔｈｅｇｌａｓｓａｎｄｔｈｅｍａｓｓ，ｔｈｅｅｔｃｈｉｎｇｕｓｉｎｇＩＣＰ．ＴｈｅｔｅｓｔｉｎｇｅｍｐｌｏｙｅｄＣＭＯＳｃｉｒｃｕｉｔｔｏｉｍｐｒｏｖｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｕｓｉｎｇｓｑｕａｒｅｗａｖｅａｓｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｓｉｇｎａｌ．

Ｔｈｅｔｅｓｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒｈａｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｌｉｎｅａｒｉｔｙ，

ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｇｏｏｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒ；ｔｅｓｔｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ

第１４卷第５期莆田学院学报

Ｖｏｌ．１４Ｎｏ．５２００７年１０月

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｕｔｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ｏｃｔ．２００７

莆田学院学报

２００７年１０月

片上，由四根悬梁固定在衬底上，硅膜片和衬底电极构成电容器的两极板，如图１所示。

图１

加速度传感器结构图

当传感器测量加速度时，质量块具有同样的加速度，根据牛顿第二定律Ｆ＝Ｍａ，这一加速度是由质量块的重量及硅膜和质量块间的相互作用力提供的。而这一相互作用力会使硼硅膜的梁发生变形。硼硅膜作为电容器的一个电极，而另一个电极是在玻璃上溅射的铝电极。当硼硅膜发生变形时，电容器两极板间的距离发生变化，电容器电容的大小也发生变化，电容和ｙ方向位移关系为［３］：

Ｃ＝

!

!０"ａ#ｉｄｘｄｙ

$ａｔ＋%ｉ（ｄ－ｗ（ｘ，ｙ））

（１）

式中&０为真空介电常数，

’ａ为空气的相对介电常数，(ｉ为绝缘层材料的相对介电常数，ｔ为绝缘层厚度，ｄ为初始间隙，ｗ（ｘ，ｙ）是硅膜片上某一点的挠度。通过测量出电容器电容的变化就可相应得出膜的受力情况，并进一步得出被测物体的加速度。

当被测物体的加速度为ａ、质量块的质量为ｍ时，由于质量块对硼硅膜的作用力Ｆ＝ｍ（ａ±ｇ），而这一力由四根梁承担，所以作用在每根梁上的力均为Ｆ／４，所以梁在ｙ方向的位移与加速度的关系为：

ｙ＝

ｍ（ａ±ｇ）４

ｘ２６ＥＩ－ｌ２ｘ２ＥＩ＋ｌ３３ＥＩ"#

（２）

式中Ｅ为硅膜的杨氏模量，Ｉ为梁结构的转动惯量。从（１）式和（２）式可得出电容和加速度的函数关系。

２硅—玻璃键合加速度传感器的工艺过程

微传感器工艺技术是基于ＭＥＭＳ技术，它符

合ＭＥＭＳ的标准工艺。微加速度传感器采用硅－玻璃键合技术，７７４０玻璃开槽使用氢氟酸缓冲剂（ＢＨＦ）腐蚀１．５)ｍ凹槽，Ｐ型硅晶片制作重掺杂的硼硅膜，硅晶片在ＴＭＡＨ腐蚀液中腐蚀出质量块，梁结构用等离子刻蚀机刻蚀（

ＩＣＰ）。整个工艺过程如下：

（

１）玻璃是传感器的一个电极，又是传感器的衬底。１００*ｍ厚的玻璃清洗烘干后光刻图形，用ＢＨＦ液腐蚀出１．５+ｍ凹槽，如图２（ａ）所示。玻璃凹槽内的电极采用磁控溅射的方法实现。为了加强金属电极与玻璃之间的结合效果，可以采用两种金属，先溅射大约３００,的钛，然后再溅射３０００-左右的铝。考虑到上下电极在测量大的加速度时可能会接触的情况，所以在金属电极上通过ＰＬＣＶＤ热生长２０００.的Ｓｉ３Ｎ４作为绝缘层。

（２）硅晶片制作传感器的硼硅膜，同时又制作质量块。先在硅片的两面氧化出５—６/ｍ的氧化层，利用Ｃａｒｓｕｓｓ光刻机双面光刻相应的图形，该图形是为了得到质量块而设计的削角补偿图，为了得到４００0ｍ×

４００1ｍ×３００2ｍ的质量块，需补偿８００3ｍ×８００4ｍ×３００5ｍ的质量块，如图２（ｂ）

俯视图所示。然后在ＴＭＡＨ（四甲基氢氧化氨水）溶液里，水浴９０!，腐蚀１ｍｉｎ左右，就可得到０．２6ｍ的沟槽的形状。

扩散源选用固态硼源，在１１２５!下大约扩散１２０ｍｉｎ，结深约为２7ｍ，硼扩后硅晶片的薄层电阻约为１．５8／□。并用ＢＨＦ液（ＮＨ４Ｆ：ＨＦ：ＤＩ＝３４．６％：６．８％：５８．６％）除去硅片硼扩面的硼硅玻璃，而另一面用ＢＰ－２１２光刻胶保护其氧化层。有氧化层面再次套刻，把图形外的氧化层用ＢＨＦ液腐蚀掉。

（３）把溅射好电极的玻璃和硼扩腐蚀过的硅片进行静电键合。键合温度约为３５０!，键合电压为１１００Ｖ，两英寸的硅片键合时间不到２ｍｉｎ，键合后如图２（

ｃ）示。（

４）最后用自停止腐蚀法去掉轻掺杂层与单晶硅，得到重掺杂层的硼硅膜及质量块，如图２（ｄ）所示。我们可以选用ＴＭＡＨ和ＫＯＨ来实现Ｐ＋重掺杂的自停止腐蚀。实验结果表明，选用ＴＭＡＨ溶液腐蚀得到的硼硅膜质量比用ＫＯＨ的效果更好，但是用ＴＭＡＨ溶液的腐蚀速度较慢。用２０％的ＴＭＡＨ溶液，９０!的水浴，腐蚀速度大约为８０００9／ｍｉｎ［４］，共需要８—１０ｈ。

（５）硅膜片再次光刻出梁结构图形，用等离子刻蚀机进行刻蚀，刻蚀气体为ＳＦ６，刻蚀速度约为４０００:／ｍｉｎ［５］，刻蚀时间为８ｍｉｎ，刻蚀后如图２（ｅ

）

（ａ）传感器结构图

（ｂ）传感器悬梁俯视图

６０

第５期郑志霞，等：基于ＭＥＭＳ加速度微传感器制作工艺及测试

所示。

（

６）引线和封装，引线后在一分钱硬币为背景时，整个器件如图２（ｆ）示。

图２

工艺过程图片

３传感器的测试电路

传感器的测试电路利用方波激励信号把测量电容的变化转换为直流电压输出，通过输出电压来测量被测物加速度的大小。采用ＣＭＯＳ电路有效地消除杂散电容的影响，利用传输门的开关特性提高了电路的灵敏度。测量电路原理图如图３所示。电路由方波发生器、开关电路、门控电路和滤波电路构成。方波发生器产生方波信号，作为电路的激励信号。开关电路则由四个ＣＭＯＳ模拟开关Ｋ１、

Ｋ２、Ｋ３和Ｋ４构成，模拟开关由ＣＭＯＳ传输门和非门构成。在由两个非门Ｇ１、Ｇ２构成的门控电路的控制下，轮流通断，从而使测量电容和参考电容在正负半周轮流与两耦合电容构成交流通路，进行充放电。在方波激励信号的一个周期内有一定电荷从Ａ点经参考电容Ｃｒ转移到Ｂ点，同时也有一定的电荷从Ｂ点经测量电容ＣＸ转移到Ａ

点。如果电路完全对称输出电压值为０，如果测量电容ＣＸ电容值增大，则这种平衡条件被破坏，在激励信号的作用下从Ｂ点转移到Ａ点的电荷大于从Ａ点转移到Ｂ点的电荷，使得在Ａ点、Ｂ点积累了一定的净电荷，从而Ａ点电位上升，Ｂ点电位下降，导致从Ａ点转移到Ｂ点的电荷增加，从Ｂ

点转移到Ａ点的电荷减少。经过若干个周期后，一个周期内的电荷转移达到动态平衡。达到平衡后，Ａ、Ｂ两点各自的直流电位同迭加在它们上面的交流激励信号通过ＲＣ低通滤波器后，输出信号只

有直流信号Ｖ１（Ｖ１为Ａ、Ｂ两点的直流电位差）。输出直流信号大小的变化就可以反映出作用在测量电容ＣＸ值的变化，并进而反应加速度的大小。

４测试结果

设计两种不同尺寸的传感器，并进行性能测试，两组传感器的质量块大小均为４００!ｍ×４００"ｍ×３００#ｍ，第一组传感器的悬梁长度为１０００$ｍ，两极板间距为１%ｍ，而第二种传感器悬梁长度为１４００&ｍ，两极板间距为０．８’ｍ。根据上述选定的参数，加速度的测量范围从０．００２ｇ到２ｇ，得到电容与加速度之间的关系，结果如图４示（图中两组传感器都进行两次重复测量）。从图中可以看出，被测物的加速度和电容器的电容不成线性关系，但重复测试结果表明，传感器性能稳定。第

（ｄ）质量块及硼硅膜（ｅ）ＩＣＰ梁结构

（ｆ）完整器件

（ａ）玻璃凹槽（ｂ）削角补偿（ｃ）硼－玻璃键合电容器电容Ｃ／Ｆ

加速度ａ／（ｍ?ｓ－２

）

图

３传感器测试电路

电容器电容Ｃ／Ｆ

加速度ａ／（ｍ?ｓ－２）

第一组传感器测试结果第二组传感器测试结果图４

加速度与电容关系图

（下转第１００页）

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莆田学院学报２００７年１０月

学教学更注重概念、原理的形成过程以及在不同情境中的应用。更倾向于数学思想方法的教学，强调概念的理解、方法的运用。大学数学的教学内容更加抽象，更多地使用了形式化、符号化的语言而且课堂的知识点较多容量大，不大可能在讲授概念之后列举同类型的大量例题让学生模仿练习。因此在学生数学基础比较差的情况下，很有必要对学生进行学法指导。定期开设一些讲座，指导学生预习、复习、听课、记笔记、阶段性小结、解题后反思和回顾等，并提出具体的要求。同时制定较为严格的督促、检查机制，帮助学生转变数学学习方式，掌握数学学习方法和养成良好数学学习习惯。４．３加强数学思想和方法的教学

数学思想和方法是人们对数学科学研究的本质及规律的深刻认识，是数学的精华，它是贯穿于数学学科的不同分支，不同层次的数学知识之中的。常见的数学思想有集合思想、化归思想、符号与变元思想、对应思想、数形结合思想、公理化与结构思想、函数与方程思想、抽样统计思想和极限思想等。在这些思想中，符号与变元思想、集合思想、对应和结构思想是数学中最重要和最基本的数学思想。数学的思想和方法具有概括性、抽象性、层次性等特征。在数学教学中要根据其特征进行。因此在商务数学课程教学中，要结合课程内容的特点，制定具体的数学思想、方法的教学目标。把蕴含在概念、命题的发现或证明之中、问题的分析和解决过程中的数学思想、数学方法挖掘出来，让学生在体现抽象概括、归纳猜想、问题转化等教学过程中学习数学，了解数学，了解数学发展。同时抓住数学思想、方法这条主线，对数学的内容进行系统地整理与分类。使学生对商务数学的总体结构及其各个分支，以及每个分支中各个块的数学知识的关系有着更加深刻的理解与认识。

参考文献：

［１］张奠宙．教育数学是具有教育形态的数学［Ｊ］．数学教育学报，２００５，１４（３）：１－４．

［２］李善良．论数学学习中自信心的形成［Ｊ］．数学教育学报，２０００，９（３）：４５－４８．

［３］［美］戴尔?Ｈ?申克．学习理论：教育的视角［Ｍ］．韦小满，译．南京：江苏教育出版社，２００３．

［４］庄兴无．高等数学［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，２００７．

［责任编辑林振梅］

（上接第６１页）一组传感器加速度范围在０．１ｇ到１０ｇ时有较好的线性，第二组传感器加速度范围在０．１ｇ到１４ｇ时有较好的线性。第一组传感器灵敏度为０．１７３ｐＦ／ｇ，第二组灵敏度更高，说明梁越长、极板间距越大，测量线性范围越大，精度越高。但受到应力限制和考虑其他因数引起的粘附性问题［６］，其悬梁长度不宜过长，两极板间距应在１!ｍ左右。

５结论

电容式加速度传感器的制作工艺条件成熟，工艺过程简单，易于大批量生产。通过ＣＭＯＳ电路对传感器进行测试，说明该传感器测量线性范围大、稳定性好、有较高的分辨率，可以通过提高ＭＥＭＳ的工艺水平来进一步提高传感器的性能。参考文献：

［１］张海涛，阎贵平．ＭＥＭＳ加速度传感器的原理及分析［Ｊ］．电子工艺技术，２００３，２４（６）：２６０－２６４．

［２］郑志霞，冯勇建，张丹．基于模型识别技术的高温微型压力传感器［Ｊ］．传感器技术，２００４，２３（２）：７７－７９．

［３］卞剑涛，程未，冯勇建，等．一种基于ＭＥＭＳ微变电容［Ｊ］．微电子学，２００３，２４（６）：２５９－２６２．

［４］邓俊泳，冯勇建．ＴＭＡＨ单晶硅腐蚀特性研究［Ｊ］．微纳电子技术，２００３，４０（３１９）：３３－３４．

［５］郑志霞，冯勇建，张春权．ＩＣＰ刻蚀特性研究［Ｊ］．厦门大学学报，２００４（Ｓ０）：３６５－３６７．

［６］丁建宁，范真，李长生，等．多晶硅微机械抗粘附结构参数设计［Ｊ］．中国机械工程，２００３（４）：２７４－２７７．

［责任编辑林锋］

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