表面微加工的應用開發(fā)

表面微加工是一種用來構建硅機電結(jié)構的技術。 結(jié)合板載信號調(diào)理電路，可將完整的機電系統(tǒng)經(jīng)濟高效地構建在單個硅片上。 用于汽車安全氣囊的加速度計是第一款成功商用的表面微加工傳感器。 此后，人們往各個領域進行了探索。 最新的開發(fā)工作關注三個方面： 提高加速度計性能、更高的集成度和新功能。 開發(fā)了兩款低g加速度計，其中一款可以解析5 mg信號，另一款采用Σ-Δ環(huán)路實現(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？

在多晶硅的基礎上形成結(jié)構，并采用SiO2犧牲氧化層鑄模。 使用標準集成電路光刻技術存放SiO2圖案層， 然后是結(jié)構化多晶硅圖案層。 在此之后，對結(jié)構進行蝕刻，以便移除犧牲層，留下一個無支撐多晶硅結(jié)構。 該結(jié)構通常高于晶圓表面1.6 uM，橫向特性的排列順序相同。 由于采用了標準集成電路技術，該工藝可很好地與標準晶圓制造工藝整合。 這便使得一致且可重復的低成本量產(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有所不同。 體微加工工藝適合用來構建壓力傳感器。 薄膜的構建可能十分簡單，且將物理壓力施加于硅片背面可簡化將傳感器與外部世界相連的問題。 然而，在運動感測和共振結(jié)構中，要求使用更為復雜的結(jié)構，而體微加工有點捉襟見肘。 體微加工采用各向異性蝕刻技術，切割硅晶圓或石英晶圓，從而創(chuàng)造出結(jié)構。 結(jié)構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，但哪怕采用了這項先進的工藝，加速度計傳感器尺寸通常也會達到10mm2，而典型的表面微加工結(jié)構尺寸要小10倍（

該結(jié)構的尺寸形狀遠超人們的想象。 將機械結(jié)構置于晶圓表面以上，可讓傳感器在所有三個軸X、Y和Z上移動。典型的傳感器構建塊是拉伸和非拉伸彈簧、差分電容檢測單元和靜電驅(qū)動板。 運動檢測一般采用差分電容結(jié)構，其優(yōu)勢是特定位移的電容變化與微弱偏轉(zhuǎn)成一階線性關系，簡化了信號調(diào)理任務。 使用差分容性板來傳遞靜電力，讓靈活的結(jié)構前后移動，通過感應和誘發(fā)結(jié)構的運動而將差分容性板用作執(zhí)行器。 通過板載信號調(diào)理電路，可以簡化感測硅片移動造成的電容變化的能力——這些變化有時十分微弱——從而降低寄生電容和噪聲干擾。

很多機電系統(tǒng)采用彈簧、運動檢測器和力引導器作為基礎構建塊，因而體積很小。 第一款獲得商業(yè)成功的器件是±50 g機電伺服加速度計，一般采用金屬彈簧、鉸鏈和電磁鐵和硅構建而成。 自此之后，衍生了眾多的演示項目，包括X、Y和Z加速度計、速率陀螺儀、流量計、機電濾波器、諧振加速度計、壓力傳感器和機電繼電器。 有意思的是，這些傳感器不僅僅是實驗室探索的產(chǎn)物。 它們采用經(jīng)過驗證的晶圓制造工藝制造，能以合理的價格實現(xiàn)量產(chǎn)。

演示具有500 mg/Hz噪底的±5g力平衡加速度計

低g商業(yè)應用中的加速度計結(jié)合了多種微加工工藝創(chuàng)新。 該器件的設計面臨著諸多挑戰(zhàn)。 最大的問題是降低封裝應力耐受性；其次是改善信噪比，以便能夠分辨極小的加速度。這兩個問題都與傳感器波束的設計有關。圖1顯示±50 g氣囊傳感器波束與±5 g傳感器的新波束對比?！?0 g彈簧處于張力作用之下，拉動四個定位點。雖然這款傳感器十分堅固穩(wěn)定，它依然對封裝和芯片安裝位置傳遞到芯片的機械應力敏感。用于±5 g器件的新傳感器波束采用“折疊波束”結(jié)構。該結(jié)構僅有兩個定位點；這種環(huán)繞結(jié)構減少了多晶硅的張力，使波束對封裝應力不那么敏感。波束的順從性（即施加某個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。這使得加速度計有可能具有測量mg級信號的能力，對于傾斜測量和某些慣性測量應用而言十分有用。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；波束停止可將波束的運動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

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

此設計說明有能力形成Z軸，因而有能力以單芯片測量3軸加速度。 使用數(shù)字輸出方案可簡化信號的后處理，并通過簡單的計數(shù)器實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。

ARPA項目芯片

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

在不遠的將來，我們會看到很多這樣的新設計投入商用。 提供經(jīng)過驗證的構建塊終將降低成本并縮短開發(fā)時間，同時允許在較短的時間段內(nèi)設計出復雜的集成功能。 未來將有可能實現(xiàn)在單個芯片上集成加速度、壓力、溫度和磁性感測。