1引言

　　在当今的武器系统中，对加速计的需求越来越多，同时武器系统对整机小型化、低成本、高性能、高可靠性和抗冲击提出了更高的要求。而随着硅微机械加工技术的迅猛发展，微型硅加速度计应运而生，它以体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、易于实现数字化和智能化而迅速占领市场，在惯性导航系统中具有广阔的应用前景[1]。作为微型硅加速度计的核心，微型硅加速度传感器的好坏，直接影响着加速度计的性能。

2结构与工作原理[1]

电容式微型硅加速度传感器主要由硅摆片和极板组成（见图1）。在硅摆片上，活动质量块通过挠性梁与边框相连，活动质量块与极板组成一对差动电容器C1和C2，质量块作为电容器C1、C2的公共活动极板，同时，电容器C1、C2也构成1对力矩器。当有加速度ai输入时，惯性力使活动极板产生1个偏角α，使电容器C1的电容量增加，C2的电容量减小，通过线路转换，把电容器C1、C2的电容量转换成电信号，经相敏放大后把输出电压反馈到电容静电力矩器，电容力矩器产生的静电力矩与惯性力矩平衡，使活动质量块保持在原有的平衡位置，通过反馈电压的正负和大小来度量输入加速度的方向和大小。

图1 加速度传感器结构剖面示意图

3制作工艺

31技术途径

　　研制的电容式加速度传感器采用玻璃硅玻璃3层结构，中间层摆片是硅材料，两侧极板采用硼硅玻璃，通过静电封接技术把硅摆片与玻璃极板键合在一起。硅摆片采用平面型结构，敏感加速度的质量块通过两个挠性梁与框架相连，挠性梁在摆片同一侧对称排列[2]。中央硅摆片选用N型（100）重掺杂双面抛光硅片，采用半导体平面工艺和微机构加工技术制作而成，其制作流程如下：

硅片双面氧化→双面光刻槽→EPW（邻苯二酚、水和乙二胺）腐蚀槽→双面光刻摆隙→EPW腐蚀摆隙→氧化→LPCVDSi3N4→双面光刻引线→双面光刻分离区→蒸镀电极→双面光刻电极→腐蚀分离。

图2 台面结构的凸角腐蚀情况

3.2关键制作技术

321版图设计中的削角补偿技术[3]

在制作加速度传感器时，希望能腐蚀出整齐的台面结构，而在微机械加工过程中，随腐蚀液的种类、腐蚀剂配方及腐蚀深度的不同，台面凸角侧向腐蚀的角度与程度也不同，使得台面顶部有效面积减小而得不到整齐的台面结构，使理论设计与实际相差较大，影响参数的测量。为此，我们通过查找资料及大量实验的摸索，在版图设计中采用补偿技术，从而腐蚀出完整的台面结构，提高了加速度传感器的性能。台面结构的凸角腐蚀及补偿法如图2所示。

322双面光刻技术

加速度传感器摆片具有对称的结构，需要对其进行双面同时加工。一要保证两面图形严格对准；二要保证硅片的晶向与图形对准；三是双面加工工艺的实现。否则微机械加工出的结构不规则，影响测量结构。为此，我们改进双面红外对准工艺，采用制造集成电路的双面光刻机进行操作：因为集成电路所用双面光刻机仅能实现双面抛光硅片正反两面图形的对准，较之红外双面光刻机提高了双面图形的对准精度，但它无法同时完成掩模版图形与硅片晶向的平行对准。而这对于传感器的制作至关重要，为此，我们制定了特殊工艺，即上下掩模版的对准——实验硅片晶向的粗对准——显影——目检——反复调整光刻机——显微镜检查——做正式片——完成操作。此操作是在没有微机械专用双面对准光刻机的情况下采取的特殊工艺，提高了对准精度，但操作不便，且由于不能随时对准，精度的重要性有待进一步提高。

323各向异性腐蚀技术

　　硅摆片及硅梁的制作选用各向异性腐蚀技术完成。选用（100）硅材料，矩形摆片边缘平行于<110>方向，侧面为（111）面，与（100）面的夹角为5474°。在腐蚀加工过程中，我们采用了两种腐蚀液：EPW和KON腐蚀液，它们对硅材料不同晶面的腐蚀速率为R（100）R（110）>R（111），即利用硅材料（111）面腐蚀速率极小的特性。

　　EPW腐蚀反应生成物Si(C6H4O2)－3和NH2（CH2）2NH＋3溶于乙二胺腐蚀液中，但其溶解度有限，且是温度的函数。因此，腐蚀Si一般在EPW的沸点下进行，鼓泡很大。若温度降低，会在硅表面产生一些不可溶解的残留物，残留物一旦出现就难以消除掉，使被腐蚀的硅表面平整度及光滑度受到影响，为了防止在EPW沸点下因蒸发而导致腐蚀液成分改变，腐蚀系统是致冷回流装置。

　　KOH腐蚀系统是KOH、H2O和（CH3）2CHOH（IPA即异丙醇）的混合液，在KOHH2O系统中加入IPA后，KOH腐蚀剂使硅腐蚀特性将发生明显改变，使各向异性腐蚀特性增强，但腐蚀速度减小。

　　在该系统中（无IPA），对硅进行深腐蚀（大于100μm）时，被腐蚀的表面会形成残留物及金字塔形的小丘，即在进行深腐蚀时，这种腐蚀系统会影响腐蚀表面的均匀性及光滑度，故先采用无IPA的KOH腐蚀系统进行腐蚀，然后再用含饱和IPA的KOH腐蚀系统。

　　（1）使用KOH，存在可动离子K＋，在工艺线上同其它电路一起流片，处理不干净易引起沾污，对电路参数产生影响，造成无法挽回的损失，所以生产线上一般禁用。

　　（2）腐蚀同一深度，EPW腐蚀出的硅表面状态不如KOH腐蚀的表面平整光亮，且腐蚀液的配方、腐蚀温度、时间应严格控制，否则易产生去不掉的白色沉淀物，成品率降低。

（3）EPW的腐蚀温度较高，芯片加工到最后，十几微米厚的窄梁经不起沸腾的溶液而极易断裂，成品率很低。

　　基于以上考虑，我们根据情况合理选用腐蚀液。

　　加工摆片间隙及槽，采用EPW腐蚀液，易控制、对生产线无影响且表面平整。

　　制作挠性梁及芯片的最终分离，采用KOH腐蚀液，因KOH的腐蚀效果好且温度低，产生的气泡较小，不会因溶液使梁断裂，且腐蚀速率稳定，易于控制。

324掩蔽膜与保护膜的选取及去除的要求很高，对不腐蚀的部分要很好地保护，且掩蔽膜易于去除。

　　常用的EPW腐蚀液对热氧化SiO2及LPCVDSi3N4的腐蚀速度很小，两者均可作为其掩蔽层。

　　KOH对SiO2的腐蚀速度较大，常用厚度不足以掩蔽其深度腐蚀，而LPCVDSi3N4薄膜较致密，KOH对其腐蚀速率很小，可以作为腐蚀的掩蔽层，但应视腐蚀时间的长短来定LPCVDSi3N4膜的厚度。

　　摆片是1个活动极板，它与玻璃极板上的固定电板组成差动电容器，SiO2及Si3N4膜兼起电容器的极间绝缘作用。

　　我们采用反应离子刻蚀去除腐蚀窗口的Si3N4，且严格控制刻蚀所用的气体及时间，以免刻蚀下面的氧化层，影响SiO2的掩蔽及侧向钻蚀；

　　梁的最终形成及分离加工前，应将电极全部做好，而电极的材料应能耐KOH溶液的长时间腐蚀而不会钻蚀及侧蚀。选用Au做电极，Ni、Cr作过渡层，增强Au与Si之间的粘附性；通过大量实验严格控制Ni、Cr及Au的腐蚀液配方及腐蚀温度、时间，从而解决了Ni、Cr过腐蚀造成的Au边缘钻蚀问题。

4测试结果与分析

41测试结构

　　我们加工出的加速度传感器芯片经过封装后，对两个微机械加速度计Z01,Z02进行了通电分度头测试，测试分两种方法：其一是在±90℃范围内作12点测试，然后对数据进行一元回归处理；二是在360℃范围内进行12点滚翻试验，试验结果见表1和表2。

表1 ±90℃范围内的测试结果

表2 滚翻试验结果

　 表2中，K1是标度因数；K2是2次非线性系数；SK0是偏值离散度；SK1是标度因数离散度；N是量程；NL是满量程线性度；σ是拟合误差。

从试验结果可看出：

　　（1）我们制造的加速度传感器，封装后，不但有测量的功能，而且具有一定的精度；

　　（2）对于1次通电测试，这两个表的工作性能均较好，拟合误差σ<4×10－3g，满量程线性度NL达到10－4量级，2次非线性系数K2≤4×10－3l/gn，基本满足使用要求；

　　（3）Z-02表的参数与瑞士Kistler公司的8303A50和美国AD公司的ADXL50加速度计相比，除了量程不同外，SK1比国外表稍差，其它参数与国外表接近，个别参数优于国外表。

42存在问题及建议

　　微型硅加速度传感器在研制中取得了一定成绩，但还存在不少技术问题，需在以后进一步解决。

　　（1）硅片质量不理想，特别是厚度不均，严重影响摆片加工质量；

　　（2）成品率太低，目前尚不能批量生产；

　　（3）需要进一步研究、完善工艺，完成加速度传感器从样品向产品的转化。