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1、I. 近十年硅微电容式加速度计发展综述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
2、，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：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
3、 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 Silicon Fusion Bonding（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：最新动态：在这个基础上，colibrys 2012 年发
4、表的文章介绍了一款导航级 Sigma-Delta MEMS 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
5、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（150 MeV Xe ions at fluence of 106 Ions/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：参考文献：1 2010 High Performanc
6、e Inertial Navigation Grade Sigma-Delta MEMS Accelerometer2 2010 RS9000, a Novel MEMS Accelerometer Family for Mil/Aerospace and Safety Critical Applications3 2012 Breakthrough in High Performance Inertial Navigation Grade Sigma-Delta MEMS Accelerometer4 2014 New generation of High Performance/High
7、reliability MEMS accelerometers for harsh EnvironmentB. Farrokh Ayazi Georgia Institute of TechnologyAyazi 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。 工作工作 1 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
8、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：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-pressure chemical vapor- deposited (LPCVD 低压化学气相沉积) 技术，在原
9、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）
10、 。 工作三：工作三：Microgravity Capacitive HARPSS Accelerometer 06 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（corrugated electrode） ，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，Ay
11、azi 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 （Reduced Capacitive Gaps） ，增加检测质量（Extra Seismic Mass） ，降低阻尼（corrugated electrode）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：参考文献：1 2004 A 2.5-V 14-bit Sigma-Delta CMOS SOI Capacitive Accelerometer2 2005 Micro-gravity capacitive silicon-on-insulator accelerometers3 2006 A 4.5-mW Cl
12、osed-Loop Sigma-Delta Micro-Gravity CMOS SOI Accelerometer4 2006 Design Optimization and Implementation of a Microgravity Capacitive HARPSS Accelerometer5 2007 Sub-Micro-Gravity In-Plane Accelerometers With Reduced Capacitive Gaps and Extra Seismic Mass6 2010 US Patent, No. US 7,757,393 B2C. Khalil
13、NajafiUniversity of MichiganKhalil Najafi 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（double sided） ，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
14、，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：参考文献：1 2004 Advanced Microsystems Automotive Applications2 2011 A Charge Balancing Accelerometer Interface with Electrostatic Damping3 2008 A 1.5W 1V 2nd-Order DS
15、Sensor Front-End with Signal Boosting and Offset Compensation for a Capacitive 3-Axis Micro-Accelerometer4 2008 A 21.2A SD Based Interface ASIC for a Capacitive 3-Axis Micro-Accelerometer5 2007 A 62A Interface ASIC for a Capacitive 3-Axis Micro-Accelerometer6 2007 A Micropower Interface ASIC for a C
16、apacitive 3-Axis Micro-Accelerometer7 2009 A Micropower SD Based Interface ASIC for a Capacitive 3-Axis Micro-Accelerometer8 2012 A High-Resolution Accelerometer With Electrostatic Damping and Improved Supply SensitivityE. Andrei ShkelUCI(University of California Irvine)Shkel 的团队在 05 年至 08 年间，发表了一系列法布里-珀罗（FabryPerot）光干涉原 理的微加速度计。这种光学加速度计具有带宽大，分辨率高，抗振动的特性，具有一定的 应用前景，同时可能应用在全光路的系统中。使用 MEMS 工艺制成双层结构，下方为基底，上方为检测质量，当有加速度输入时 （沿着 z 轴方向） 。检测质量和基底的间
