基于表面微加工技术的加速度检测创新

电路

表面微加工是一种用来构建硅机电结构的技术。结合板载信号调理电路，可将完整的机电系统经济高效地构建在单个硅片上。用于汽车安全气囊的加速度计是第一款成功商用的表面微加工传感器。此后，人们往各个领域进行了探索。最新的开发工作关注三个方面：提高加速度计性能、更高的集成度和新功能。开发了两款低g加速度计，其中一款可以解析5 mg信号，另一款采用Σ-Δ环路实现数字输出。很多工作都围绕着新功能展开，而最新开发工作包括表面微加工速率陀螺仪。
什么是表面微加工？
在多晶硅的基础上形成结构，并采用SiO2牺牲氧化层铸模。使用标准集成电路光刻技术存放SiO2图案层，然后是结构化多晶硅图案层。在此之后，对结构进行蚀刻，以便移除牺牲层，留下一个无支撑多晶硅结构。该结构通常高于晶圆表面1.6 uM，横向特性的排列顺序相同。由于采用了标准集成电路技术，该工艺可很好地与标准晶圆制造工艺整合。这便使得一致且可重复的低成本量产成为可能。
什么造就了表面微加工的多样化？
微加工结构具有较小的特性尺寸，因而在同一块芯片内放置电路和传感器的成本低廉。这与体微加工等受限于尺寸的其它微加工技术有所不同。体微加工工艺适合用来构建压力传感器。薄膜的构建可能十分简单，且将物理压力施加于硅片背面可简化将传感器与外部世界相连的问题。然而，在运动感测和共振结构中，要求使用更为复杂的结构，而体微加工有点捉襟见肘。体微加工采用各向异性蚀刻技术，切割硅晶圆或石英晶圆，从而创造出结构。结构的特性尺寸由晶圆厚度以及蚀刻角度确定。诸如晶圆键合等工艺可用来削减晶圆厚度，但哪怕采用了这项先进的工艺，加速度计传感器尺寸通常也会达到10mm2，而典型的表面微加工结构尺寸要小10倍(
该结构的尺寸形状远超人们的想象。将机械结构置于晶圆表面以上，可让传感器在所有三个轴X、Y和Z上移动。典型的传感器构建块是拉伸和非拉伸弹簧、差分电容检测单元和静电驱动板。运动检测一般采用差分电容结构，其优势是特定位移的电容变化与微弱偏转成一阶线性关系，简化了信号调理任务。使用差分容性板来传递静电力，让灵活的结构前后移动，通过感应和诱发结构的运动而将差分容性板用作执行器。通过板载信号调理电路，可以简化感测硅片移动造成的电容变化的能力——这些变化有时十分微弱——从而降低寄生电容和噪声干扰。
很多机电系统采用弹簧、运动检测器和力引导器作为基础构建块，因而体积很小。第一款获得商业成功的器件是±50 g机电伺服加速度计，一般采用金属弹簧、铰链和电磁铁和硅构建而成。自此之后，衍生了众多的演示项目，包括X、Y和Z加速度计、速率陀螺仪、流量计、机电滤波器、谐振加速度计、压力传感器和机电继电器。有意思的是，这些传感器不仅仅是实验室探索的产物。它们采用经过验证的晶圆制造工艺制造，能以合理的价格实现量产。
演示具有500 mg/Hz噪底的±5g力平衡加速度计
低g商业应用中的加速度计结合了多种微加工工艺创新。该器件的设计面临着诸多挑战。最大的问题是降低封装应力耐受性；其次是改善信噪比，以便能够分辨极小的加速度。这两个问题都与传感器波束的设计有关。图1显示±50 g气囊传感器波束与±5 g传感器的新波束对比。±50 g弹簧处于张力作用之下，拉动四个定位点。虽然这款传感器十分坚固稳定，它依然对封装和芯片安装位置传递到芯片的机械应力敏感。用于±5 g器件的新传感器波束采用"折叠波束"结构。该结构仅有两个定位点；这种环绕结构减少了多晶硅的张力，使波束对封装应力不那么敏感。波束的顺从性（即施加某个g力的波束偏转）有所增加，每g的电容变化更大，因而信噪比更高。这使得加速度计有可能具有测量mg级信号的能力，对于倾斜测量和某些惯性测量应用而言十分有用。波速的顺从性虽然解决了部分问题，但又造成了其它问题。50 g器件的抗冲击能力从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强；波束停止可将波束的运动距离限制在安全距离内。

带数字输出和1.6 mgHz噪声性能的Z轴力平衡加速度计
也可以采用完全不同的方式，将波束构建为对Z轴的偏转敏感（与晶圆平面垂直）。这种设计的挑战之一，在于仅有两层多晶硅用于力板和感测板，无法使用差分电容结构。此设计使用静电悬浮补偿缺失的上板，提供6 g/V上拉力。电子将波束重新平衡至中心位置，允许芯片感测双极性加速度信号。采用Σ-Δ力平衡环路读取芯片偏转数据，并提供力平衡信号以便将波束返回至中心位置，同时提供与加速度成正比的脉冲密度输出。
此设计说明有能力形成Z轴，因而有能力以单芯片测量3轴加速度。使用数字输出方案可简化信号的后处理，并通过简单的计数器实现模数转换。
ARPA项目芯片
ADI公司为外部设计人员提供表面微加工技术。项目芯片定期执行。首款项目芯片与伯克利大学合作完成，将20种不同芯片部署到各种不同应用中，包括X、Y和Z加速度计、速率传感器、流量传感器、滤波器、谐振器和时钟芯片。
在不远的将来，我们会看到很多这样的新设计投入商用。提供经过验证的构建块终将降低成本并缩短开发时间，同时允许在较短的时间段内设计出复杂的集成功能。未来将有可能实现在单个芯片上集成加速度、压力、温度和磁性感测。
关于作者James Doscher
Product Line Director, Analog Devices, Inc.

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