田字形单质量块三轴电47UF 35V容式微加快度计的设计与仿真

摘要：先容了一耕田字形单质量块三轴电容式微加快度计的设计与仿真。该加快度计以SOI晶圆作为基片，颠末氧化、光刻、干法刻蚀和湿法刻蚀等工艺步调获得。通过支撑梁和3个轴的敏感布局的巧妙设计，有效制止了平面内和垂直偏向的交错轴滋扰的影响，并提高了Z轴的敏捷度。通过差分电容的设计，理论上消除了交错轴滋扰。通过仿真获得了该加快度计在3个轴向上的敏捷度及抗攻击本领。结公道论阐明和ANSYS仿真功效，可以得出结论：所设计的加快度计拥有较低的交错轴滋扰、较高的敏捷度以及较强的抗攻击本领，在惯性传感器规模有必然的应用前景。

0   引言

微加快度计占据了微传感器市场中很大的一部门，由于低制造本钱、小体积、易与CMOS电路集成等特点，其应用规模十分遍及，包罗了从消费电子到小我私家导航等方面。然而，受制于外貌微加工工艺造成的器件厚度较薄的原因，微加快度计在高精度、高敏捷度加快度计市场合占份额十分有限。而跟着SOI（Silicon On Insulator，绝缘衬底上的硅）技能的呈现，体微加工工艺很好地办理了精度低、敏捷度小这个问题。SOI晶圆相较于普通的单晶硅晶圆有许多利益，譬喻优异的质料特性，容易实现大厚度器件，低残余应力，以及简朴的制造工艺[1~5]。Toshiyuki Tsuchiya等人回收不等高梳齿设计了一种基于SOI的三轴电容式微加快度计[6]。XIE Jianbing等人操作SOI的衬底层来增大质量块，设计了一种平面内的单轴电容式加快度计[7]。

本文中设计的三轴电容式微加快度计回收了中心对称的田字形布局，实现了仅用1个质量块来敏感3个轴向的加快度。通过差分设计，理论上消除了三轴之间的交错轴滋扰。同时，通过将X轴和Y轴的梳齿电极配置在田字形质量块的内侧，而将Z轴梳齿电极和弹性支撑梁配置在质量块的外侧， 220UF 25V，大幅度增加Z轴梳齿电容对数，从而提高了Z轴的敏捷度。并且，配置在质量块内部的牢靠布局不只可以用来形成牢靠电极，并且能作为止挡布局，提高整个加快度计在平面内的抗攻击本领。

1   加快度计布局设计与事情道理

1.1 加快度计布局设计

图1为所设计的微加快度计的俯视图。该加快度计整体布局中心对称，质量块部门为田字形，质量块通过四角的支撑梁毗连在锚点上。支撑梁成45°斜置在质量块外部4个直角处，相对付安排在质量块内部或外部的4条边上，可以节减出更多的空间来增加Z轴的梳齿对数。田字形质量块内部有4个沟通的大方孔，左上和右下2个方孔配置有X轴梳齿电容，共4组；右上和左下2个方孔配置有Y轴梳齿电容，共4组。田字形质量块的外部4条边上配置有Z轴梳齿电容，共8组。

图1 微加快度计整体布局俯视图

X轴的4组梳齿电容和Y轴的4组梳齿电容，布局沟通，均回收等高梳齿设计，高度均为顶层硅厚度t，如图2，仅仅摆放的偏向成90°。Cx1，Cx2，Cx3，Cx4用来丈量X轴的加快度；Cy1，Cy2，Cy3，Cy4用来丈量Y轴的加快度。X轴或Y轴的牢靠梳齿与两侧可动梳齿之间的间距不等，且d1<<d2，因而间距为的d2的电容可忽略不计，实现了变间距的电容设计。

图2 微加快度计X、Y轴偏向的等高梳齿电极

Z轴的8组梳齿电容均回收不等高梳齿设计。如图3，个中的4组（Cz1，Cz4，Cz5 ，Cz8），可动梳齿高度为t，而牢靠梳齿高度为0.5t；别的4组（Cz2，Cz3，Cz6，Cz7），可动梳齿高度为0.5t，而牢靠梳齿高度为t。Cz1，Cz2，Cz3，Cz4，Cz5，Cz6，Cz7，Cz8均用来丈量Z轴的加快度。Z轴的牢靠梳齿与两侧的可动梳齿之间的间距相等，均为d0，且d0=d1，实现了变面积的电容设计。

图3 微加快度计Z轴偏向上的不等高梳齿电极

不等高梳齿的实现要领为操作二氧化硅和聚酰亚胺作为硬掩膜，第1次深硅刻蚀时，所有高度为t的梳齿上方有二氧化硅和聚酰亚胺两层硬掩膜，而高度为0.5t的梳齿上方仅有聚酰亚胺一层掩膜；但在第2次深硅刻蚀时前，聚酰亚胺会被干法刻蚀去掉，这样高度为t的梳齿上方会剩下二氧化硅硬掩膜，而高度为0.5t的梳齿上方在第2次深硅刻蚀时是没有掩蔽层的。由于两次深硅刻蚀都只刻蚀顶层硅一半的厚度，最终获得的功效就是前面所设计的梳齿布局。

1.2 加快度计事情道理