硅微加速度计调研报告

I.近十年硅微电容式加速度计发展综述I.1.概述MEMS加速度计具有非常广泛的应用，由于其批量制造低成本的特性，在过去的若干年广泛应用于消费电子市场，取得了巨大的成功。然而MEMS加速度计的发展并不止步于此，新的研究成果不断出现，使人们相信MEMS加速度计不仅能在其擅长的小型化低成本低功耗方向更进一步，而且还具有冲击中高性能应用的潜力。MEMS电容式加速度计主要有两种实现形式，一种是面内检测(In-plane)，另外一种是面外检测(Out-of-plane)，也就是z轴敏感的加速度计。而两者对比见下表所示：同时在04年以前的工作中，硅微加速度计的精度在不断提高，同时面内和面外敏感的加速度计由于其各有特点，应用目标也不尽相同，因此都取得了很大的进步。下图为04年前电容式加速度计的发展趋势，可以看出面外传感的加速度计在性能上相对面内传感的结构有优势。同时加速度计的性能也在按照类似摩尔定律的规律提升。从05年到15年，硅微电容式加速度计又经历了一段发展时期，展现出了两条相对独立的发展路线，逐渐诞生了一些产品可以适用于高端应用领域。同时也在低成本方面有了进一步的突破。I.2.主要团队成果介绍A.Colibrys结构简介：其目标定位实现一系列高性能MEMS加速度计，可能用于飞行器航姿稳定系统以及更严格的空间应用。因此采用了面外敏感（z轴敏感）的原理来实现高精度加速度计。该公司代表性产品RS9000系列采用了一种三层硅的结构，如下图所示：每层硅片采用DRIE（深反应离子刻蚀）技术实现了非常厚的检测质量，从而降低了结构的布朗噪声。提高了分辨率。该三层结构中，顶层和底层为固定电极。中间层为检测质量和支撑系统，同时三层硅通过一种SiliconFusionBonding（SFB）的键合技术连接在一起，保证了不同硅片之间的平衡性，同时也可以实现一个密封的腔体，从而能够控制结构所处环境的气体阻尼。最新动态：在这个基础上，colibrys2012年发表的文章介绍了一款导航级Sigma-DeltaMEMS加速度计。该加速度计接口部分使用前放和ADC，其余电路全部在数字中完成。同时，采用闭环结构，降低了结构等效噪声和量化噪声，同时提高了结构的线性度，保证了振动环境下的性能。在这些技术的支持下，该样机在温度（300ug残留），噪声（2ug/rt(Hz)），振动性能(10ug/g2)上均表现出优异的性能，其性能参数如下表所示：在这个基础上，Colibrys在2014年展示了一个针对严峻环境下工作的加速度计。该加速度计使用开环原理工作，并且配合新的芯片粘贴技术，使其具有超高的鲁棒性，同时采用电荷平衡技术的读出电路，使其仍然能够保持足够好的性能。该系列加速度计能够工作在超高辐射（150MeVXeionsatfluenceof106Ions/cm2）和高温度下（175℃），并且能够抵抗10000g的冲击，满足了工业应用和空间应用。该系列加速度计实现了0.6ppmFs/rt(Hz)的分辨率，略低于其高性能闭环样机（≈0.1ppmFs/rt(Hz)）。总之，Colibrys公司在保持加速度计性能的同时，关注其综合稳定性和环境适应性，已经走出实验室，推出了若干高性能的加速度计产品，其加速度计在若干领域成功替代了传统的方案。参考文献：[1]2010HighPerformanceInertialNavigationGradeSigma-DeltaMEMSAccelerometer[2]2010RS9000,aNovelMEMSAccelerometerFamilyforMil/AerospaceandSafetyCriticalApplications[3]2012BreakthroughinHighPerformanceInertialNavigationGradeSigma-DeltaMEMSAccelerometer[4]2014NewgenerationofHighPerformance/HighreliabilityMEMSaccelerometersforharshEnvironmentB.FarrokhAyazi@GeorgiaInstituteofTechnologyAyazi团队在04年后，也发表了若干加速度计样机，并且具有其特点。该团队主要研发in-plane（面内运动）形式的MEMS加速度计。并且将其性能提高至与体微加工工艺相近的水平。工作1：其第一代加速度计结构如下图所示，采用40um厚的SOI工艺，为了降低加速度计的布朗噪声，其检测质量上去掉了排孔，而该方式带来的缺陷通过干法释放的方式来解决。电路方面，该工作改进了传统的开环Sigma-Delta检测方式，通过引入一个隔离前端放大器，将积分器与检测电容隔开，避免其相互影响，增强了系统的稳定性。同时，该工作将结构和电路集成在一块硅片上，展示出了表面工艺与IC易集成的优势，具有低成本的潜力。工作二：其第二代样机大幅改进了工艺，同时也采用了闭环Sigma-Delta的检测方式，性能有了进一步的提高。新结构如下图所示：为了进一步提高性能，降低布朗噪声，提高机械灵敏度。该团队从两个方面进行了改进，首先是采取low-pressurechemicalvapor-deposited(LPCVD低压化学气相沉积)技术，在原有基础上减小电容间隙，从而提高灵敏度。其次，在结构释放过程中，刻意保留较厚的基底硅层，来增强检测质量的厚度，从而降低布朗噪声，而这也会最终反应在加速度计性能的提升上。其工艺简略流程如下：其电路也采用了闭环的Sigma-Delta力平衡系统，增强了线性性和分辨率。第一第二代结构的对比也能很清楚的反映出新技术对性能的改善：（a）第一代样机结构性能（b）第二代样机结构性能通过采用新的技术，检测质量的有效厚度从40um提高到120um，检测质量也从1.2mg提升到5mg。在此结构的基础上，其制作的样机性能如下：在±1g的量程中实现了2-8ug闭环零偏稳定性（12小时测量）。工作三：MicrogravityCapacitiveHARPSSAccelerometer06年，Ayazi又提出了一种新的方式，来降低结构机械噪声。该方式不同于之前的增加质量块的方式，而是从减小气体阻尼入手。该团队设计了一种面内的加速度计，带有起皱的检测电极（corrugatedelectrode），如下图所示。这种结构缓解了传统平板电容运动时压缩气体产生的阻尼，从而降低了机械布朗噪声，缓解了对刻蚀和真空封装的需求，降低了器件成本。该结构在保证其余主要性能参数的前提下，最终实现了0.67ug/rt(Hz)的机械等效加速度噪声（BNEA）。总之，Ayazi的团队致力于提高面内检测加速度计的性能，通过增加间隙电容（ReducedCapacitiveGaps），增加检测质量（ExtraSeismicMass），降低阻尼（corrugatedelectrode）等方面入手，对面内加速度计性能提升做出了贡献。参考文献：[1]2004A2.5-V14-bitSigma-DeltaCMOSSOICapacitiveAccelerometer[2]2005Micro-gravitycapacitivesilicon-on-insulatoraccelerometers[3]2006A4.5-mWClosed-LoopSigma-DeltaMicro-GravityCMOSSOIAccelerometer[4]2006DesignOptimizationandImplementationofaMicrogravityCapacitiveHARPSSAccelerometer[5]2007Sub-Micro-GravityIn-PlaneAccelerometersWithReducedCapacitiveGapsandExtraSeismicMass[6]2010USPatent,No.US7,757,393B2C.KhalilNajafi@UniversityofMichiganKhalilNajafi团队主要提出了一种检测质量分离的三轴加速度计解决方案，使用一种表面和体工艺组合的工艺方式（非常复杂的工艺，增加了成本），实现了475um检测质量厚度，在三个敏感轴均实现了很高的性能。其结构原理图如下所示：该结构采用七层掩膜版和双面工艺，成本极高，同时由于该结构是双面结构（doublesided），其封装成本也较高。但是该设计三个轴向的性能均达到了在±0.3g的量程范围内，实现了2ug/rt(Hz)的性能。参考文献：[1]1998MicromachinedInertialSensors[2]2004AnIn-PlaneHigh-Sensitivity,Low-NoiseMicro-gSiliconAccelerometerwithCMOSReadoutCircuitry[3]2005AMonolithicThree-AxisMicro-gMicromachinedSiliconCapacitiveAccelerometerD.KariHalonen@HelsinkiUniversityofTechnology工作一：单片MEMS三轴加速度计Halonen的团队出身于ADC，转而开始设计电容式加速度计，其07年发表的三轴加速度计瞄准消费电子领域，在小体积，低功耗方向有所突破。其加速度计结构如下图所示：该加速度计使用四块对称的检测单元，每一个单独的质量块可以绕其锚点扭转，而通过质心位置和锚点位置的合理选择，使得检测质量会敏感两个方向的输入加速度，通过线性解算，从而得到每一个单独轴向的加速度。此外，在该工作中，IC芯片和MEMS芯片相对独立，通过bondingwire连接在一起，在IC芯片中，集成了频率发生器，基准源。同时提供了两种工作模式，超低功耗模式和中等性能模式，使系统能够重构，从而应用在更广泛的领域。其09年的测试结果显示，其样机在±4g的测量范围内实现了每一轴向低于360ug/rt(Hz)的分辨率，在三轴解决方案中，性能优异。同时，相比于Najafi团队的设计，它工艺更为简单，同时实现了更好的性能。工作二：高性能单轴加速度计在单轴加速度计方面，Halonen的团队提出了一种开环-闭环混合（Hybrid）检测方式，使其具有开环闭环共同的有点，其结构如下所示：在该工作中，使用了SBB（自平衡桥）补偿查分电容的失配，并且通过AC力反馈技术，使系统在使用一个高Q（700）结构的情况下仍然保持稳定，从而实现低噪声。在这些技术的支持下，通过引线键合将MEMS和IC集成组成样机，实现了较高的性能，其测试结果如下：其测试结果显示，样机实现了13ug零偏稳定性和2ug/rt(Hz)的分辨率，同时样机的量程也达到了±1.15g。其综合性能如下表所示：总之Helonen团队重心放在电路上进行改进，在各种开关电容检测电路上做出了贡献。参考文献：[1]2004AdvancedMicrosystemsAutomotiveApplications[2]2011AChargeBalancingAccelerometerInterfacewithElectrostaticDamping[3]2008A1.5μW1V2nd-OrderDSSensorFront-EndwithSignalBoostingandOffsetCompensationforaCapacitive3-AxisMicro-Accelerometer[4]2008A21.2μASDBasedInterfaceASICforaCapacitive3-AxisMicro-Accelerometer[5]2007A62μAInterfaceASICforaCapacitive3-AxisMicro-Accelerometer[6]2007AMicropowerInterfaceASICforaCapacitive3-AxisMicro-Accelerometer[7]2009AMicropowerSDB