微机械MEMS陀螺仪原理和几大公司的基本工艺流程

微机械MEMS陀螺仪原理：目前，MEMS陀螺仪主要以振动式为主，振动式陀螺仪主要由支撑框架、谐振质量块，以及激励和检测单元几个部分构成。驱动与检测方式以静电驱动、电容检测最为常见。检测原理是利用柯氏效应（Coriolis）把各轴的角速率转换成谐振质量块的位移，从而引起检测电容的变化，通过电容变化量可以换算出角速率或者角加速度。以一个单轴MEMS陀螺仪为例，探讨最简单的工作原理（图4）。两个正在运动的质量块向相反方向做连续运动，如蓝色箭头所示。只要施加一个平行于纸平面的角速率，如红色箭头所示，就会产生一个与质量块运动方向垂直的柯里奥利力，如黄色箭头所示。产生的柯里奥利力使质量块发生位移，位移大小与所施加的角速率大小成正比。这个位移将会在质量块的梳齿电极和固定电极之间引起电容变化，因此，在MEMS陀螺仪输入部分施加的角速率被转化成一个专用电路可以检测的电参量。图4MEMS振动式陀螺仪原理分析和评价陀螺的性能，需要制定一系列的衡量准则，为其应用提供一定的参考依据。总体而言，表征陀螺性能的主要指标有:标度因数稳定性、漂移稳定性、随机游走、量程和成本等等。三、主流MEMS陀螺仪厂商工艺：3.1ADIiMEMS制造工艺：美国ADI公司的MEMS惯性传感器性能达到军用战术级别，其著名的iMEMS工艺是MEMS和标准IC工艺实现单片混合集成的成功典范，制造有ADXL系列加速度计、ADXRS系列陀螺仪等产品。如图5所示，是ADI的ADXRS150陀螺仪。图5ADXRS150陀螺仪ADIiMEMS是一种Interleaved-CMOS工艺，如图6所示,其特点是在CMOS制造流程过程中插入MEMS器件的制作工艺，这些MEMS工艺不会影响到CMOS电路的性能。iMEMS制造工艺的基本步骤是：1、首先是从CMOS工艺起始，制作前段工艺的MOS晶体管，包括N阱、MOS管的源极、漏极和发射极，并且制作与MEMS微结构连接的n+区域；2、沉积氮化硅和BPSG保护电路制作区域，但这些薄膜要从MEMS结构制作区域去除；3、在MEMS结构区域，沉积和刻蚀钝化层氮化硅、1.6um厚的牺牲层氧化硅以及2umPloySi薄膜，PolySi采用P注入掺杂，并且退火获得较小的应力，以作为MEMS器件的结构层；4、沉积氧化硅保护MEMS区域，并且继续CMOS后段的金属互连制作步骤；5、最后就是释放牺牲层，获得活动的MEMS结构，测试封装。现在新的报道中，ADIiMEMS的牺牲层厚度达到2um厚度，PolySi厚度达到4um。图6ADIiMEMS制造工艺3.2Bosch工艺和STTHELMA工艺德国Bosch公司的MEMS惯性传感器广泛应用与汽车工业领域，MEMS器件的工艺不同于ADIiMEMS，其采用两个晶圆分别制作MEMS结构和CMOS电路，然后将这两个分离器件嵌入到一个PCB板上。这个样做的好处：1、PolySi薄膜可以外延沉积，厚度可以做的比较厚，达到30um以上；2、PolySi薄膜可以在更高（1100～1250℃）温度下退火，不像ADIiMEMS工艺还需考虑退火温度对CMOS的影响，从而能进一步降低残余应力。意法半导体ST取得了Bosch公司的工艺license，其MEMS传感器主要应用在娱乐产业、智能手机上，2010年出货的三轴陀螺仪L3G4200D应用在iPhone手机上，无与伦比的用户体验感引爆了整个MEMS产业，堪称是MEMS产业强劲发展的又一里程碑事件。ST的MEMS陀螺仪剖视图如图7所示：图7ST的MEMS陀螺仪ST的MEMS陀螺仪以及加速度惯性传感器件的制作工艺是THELMA（ThickEpi-PolyLayerforMicro-actuatorsandAccelerometers），如图8所示。顾名思义，是通过外延比较厚的PolySi作为MEMS结构层，这样做可以提高惯性器件的灵敏度。图8ST的THELMA工艺在封装上，ST采用了先进的晶圆级封装（WLP）和TSV技术，将MEMSsensor晶圆和Cap晶圆通过Au-Au热压键合实现晶圆级封装，取代了之前的Glass-frit粘结方式；MEMSsensor部分ASIC电路之间通过TSV技术实现导电连接，不需要打线（Wirebonding），MEMS器件的面积得以进一步缩小，目前ST的三轴陀螺仪的面积达到1mm2左右。3.3InvensenseNF工艺Invensense是一家Fabless公司，拥有制作MEMS惯性传感器的NF（Nasiri-Fabrication）工艺，并且将该工艺license给了新加坡的GlobalFoundry。著名的产品有三轴IDG-3200陀螺仪和MPU6000组合传感器等，用在娱乐产业以及相机防抖等。如图9所示是其IDG-3200陀螺仪。图9IDG-3200陀螺仪Invensense的NF工艺分为四大流程，如图10所示：图10Invensense的NF工艺流程在1）流程中制作惯性器件的Capwafer，并与流程2）中Sensorwafer通过Oxidefusionbonding实现晶圆级键合；2）流程中键合的wafer是一块单晶wafer，通过减薄、刻蚀等工艺加工惯性器件结构，最后会沉积Ge作为与流程3）中ASICwafer键合的金属；在3）中就是ASICwafer经过进一步加工；在4）流程，Sensorwafer和ASICwafer通过Al-Ge键合实现晶圆级封装。3.4VTI工艺芬兰VTI公司也是一家Fabless公司，由TexasInstruments以及上海先进半导体公司代工，著有三轴陀螺仪CMR3000，如图11所示。不过这家公司在去年被日本村田（mutura）所收购。图11三轴陀螺仪CMR3000VTI和Invensense的工艺流程有些相似的地方，体现在Sensorwafer和capwafer的加工上，如图12所示。不过VTI还要多一个wafer，这块wafer采用了先进的TSV技术，Sensorwafer通过该wafer和ASICwafer实现导电连接，也要通过该wafer实现三轴陀螺仪。1、CapWafer制作图示2、MEMSsensorwafer制作图示3、ASICwafer制作图示4、waferbonding图12VTI陀螺仪剖视图3.5X-fab工艺德国X-fab提供了基于SOIwafer的MEMS惯性传感器加工技术，其优势就是不需要外延PolySi，对厚度范围10～100um的devicewafer做DRIE就可以加工形成MEMS惯性传感器的结构，而且devicewafer下面的oxide可作为牺牲层释放，如图13所示。图13X-fab基于SOIwafer的MEMS传感器加工技术不过，需要注意的是，X-fab不像Invensense那样Sensorwafer和capwafer键合形成SOIwafer，而是直接利用SOIwafer制作MEMS器件和特殊的CMOS工艺电路，这个工艺弊端较多，首先就是很多ICfoundries不提供这种基于SOIwafer的CMOS工艺，而且直接在SOIwafer上难以制作三轴的陀螺仪。目前，上海深迪半导体公司在该公司做陀螺仪的代工生产。