摘要：先容了一耕田字形單質(zhì)量塊三軸電容式微加快度計(jì)的設(shè)計(jì)與仿真。該加快度計(jì)以SOI晶圓作為基片，顛末氧化、光刻、干法刻蝕和濕法刻蝕等工藝步調(diào)獲得。通過支撐梁和3個(gè)軸的敏感布局的巧妙設(shè)計(jì)，有效制止了平面內(nèi)和垂直偏向的交錯(cuò)軸滋擾的影響，并提高了Z軸的敏捷度。通過差分電容的設(shè)計(jì)，理論上消除了交錯(cuò)軸滋擾。通過仿真獲得了該加快度計(jì)在3個(gè)軸向上的敏捷度及抗攻擊本領(lǐng)。結(jié)公道論闡明和ANSYS仿真功效，可以得出結(jié)論：所設(shè)計(jì)的加快度計(jì)擁有較低的交錯(cuò)軸滋擾、較高的敏捷度以及較強(qiáng)的抗攻擊本領(lǐng)，在慣性傳感器規(guī)模有必然的應(yīng)用前景。

0   引言

微加快度計(jì)占據(jù)了微傳感器市場中很大的一部門，由于低制造本錢、小體積、易與CMOS電路集成等特點(diǎn)，其應(yīng)用規(guī)模十分遍及，包羅了從消費(fèi)電子到小我私家導(dǎo)航等方面。然而，受制于外貌微加工工藝造成的器件厚度較薄的原因，微加快度計(jì)在高精度、高敏捷度加快度計(jì)市場合占份額十分有限。而跟著SOI（Silicon On Insulator，絕緣襯底上的硅）技能的呈現(xiàn)，體微加工工藝很好地辦理了精度低、敏捷度小這個(gè)問題。SOI晶圓相較于普通的單晶硅晶圓有許多利益，譬喻優(yōu)異的質(zhì)料特性，容易實(shí)現(xiàn)大厚度器件，低殘余應(yīng)力，以及簡樸的制造工藝[1~5]。Toshiyuki Tsuchiya等人回收不等高梳齒設(shè)計(jì)了一種基于SOI的三軸電容式微加快度計(jì)[6]。XIE Jianbing等人操作SOI的襯底層來增大質(zhì)量塊，設(shè)計(jì)了一種平面內(nèi)的單軸電容式加快度計(jì)[7]。

本文中設(shè)計(jì)的三軸電容式微加快度計(jì)回收了中心對(duì)稱的田字形布局，實(shí)現(xiàn)了僅用1個(gè)質(zhì)量塊來敏感3個(gè)軸向的加快度。通過差分設(shè)計(jì)，理論上消除了三軸之間的交錯(cuò)軸滋擾。同時(shí)，通過將X軸和Y軸的梳齒電極配置在田字形質(zhì)量塊的內(nèi)側(cè)，而將Z軸梳齒電極和彈性支撐梁配置在質(zhì)量塊的外側(cè)， 220UF 25V，大幅度增加Z軸梳齒電容對(duì)數(shù)，從而提高了Z軸的敏捷度。并且，配置在質(zhì)量塊內(nèi)部的牢靠布局不只可以用來形成牢靠電極，并且能作為止擋布局，提高整個(gè)加快度計(jì)在平面內(nèi)的抗攻擊本領(lǐng)。

1   加快度計(jì)布局設(shè)計(jì)與事情道理

1.1 加快度計(jì)布局設(shè)計(jì)

圖1為所設(shè)計(jì)的微加快度計(jì)的俯視圖。該加快度計(jì)整體布局中心對(duì)稱，質(zhì)量塊部門為田字形，質(zhì)量塊通過四角的支撐梁毗連在錨點(diǎn)上。支撐梁成45°斜置在質(zhì)量塊外部4個(gè)直角處，相對(duì)付安排在質(zhì)量塊內(nèi)部或外部的4條邊上，可以節(jié)減出更多的空間來增加Z軸的梳齒對(duì)數(shù)。田字形質(zhì)量塊內(nèi)部有4個(gè)溝通的大方孔，左上和右下2個(gè)方孔配置有X軸梳齒電容，共4組；右上和左下2個(gè)方孔配置有Y軸梳齒電容，共4組。田字形質(zhì)量塊的外部4條邊上配置有Z軸梳齒電容，共8組。

圖1 微加快度計(jì)整體布局俯視圖

X軸的4組梳齒電容和Y軸的4組梳齒電容，布局溝通，均回收等高梳齒設(shè)計(jì)，高度均為頂層硅厚度t，如圖2，僅僅擺放的偏向成90°。Cx1，Cx2，Cx3，Cx4用來丈量X軸的加快度；Cy1，Cy2，Cy3，Cy4用來丈量Y軸的加快度。X軸或Y軸的牢靠梳齒與兩側(cè)可動(dòng)梳齒之間的間距不等，且d1<<d2，因而間距為的d2的電容可忽略不計(jì)，實(shí)現(xiàn)了變間距的電容設(shè)計(jì)。

圖2 微加快度計(jì)X、Y軸偏向的等高梳齒電極

Z軸的8組梳齒電容均回收不等高梳齒設(shè)計(jì)。如圖3，個(gè)中的4組（Cz1，Cz4，Cz5 ，Cz8），可動(dòng)梳齒高度為t，而牢靠梳齒高度為0.5t；別的4組（Cz2，Cz3，Cz6，Cz7），可動(dòng)梳齒高度為0.5t，而牢靠梳齒高度為t。Cz1，Cz2，Cz3，Cz4，Cz5，Cz6，Cz7，Cz8均用來丈量Z軸的加快度。Z軸的牢靠梳齒與兩側(cè)的可動(dòng)梳齒之間的間距相等，均為d0，且d0=d1，實(shí)現(xiàn)了變面積的電容設(shè)計(jì)。

圖3 微加快度計(jì)Z軸偏向上的不等高梳齒電極

不等高梳齒的實(shí)現(xiàn)要領(lǐng)為操作二氧化硅和聚酰亞胺作為硬掩膜，第1次深硅刻蝕時(shí)，所有高度為t的梳齒上方有二氧化硅和聚酰亞胺兩層硬掩膜，而高度為0.5t的梳齒上方僅有聚酰亞胺一層掩膜；但在第2次深硅刻蝕時(shí)前，聚酰亞胺會(huì)被干法刻蝕去掉，這樣高度為t的梳齒上方會(huì)剩下二氧化硅硬掩膜，而高度為0.5t的梳齒上方在第2次深硅刻蝕時(shí)是沒有掩蔽層的。由于兩次深硅刻蝕都只刻蝕頂層硅一半的厚度，最終獲得的功效就是前面所設(shè)計(jì)的梳齒布局。

1.2 加快度計(jì)事情道理