基于对称“三明治”电容结构的低噪声MEMS加速度计

基于对称“三明治”电容结构的低噪声MEMS加速度计

MEMS加速度计凭借其微型化、低功耗、低成本和结构稳固等优点，已成为各类智能设备中不可或缺的运动感知单元。其中，“三明治”电容式MEMS加速度计采用垂直堆叠结构，将可动惯性质量块夹在两个固定电极之间，形成差分电容检测结构。这种对称差分结构在性能方面具有显著优势。

差分输出机制不仅能够增强有效信号的幅值，还能天然地抑制共模干扰，从而提升灵敏度和信噪比。此外，该结构还展现出更高的线性度、更低的交叉轴灵敏度以及更强的抗过载能力。为了进一步增强抗过载性能，通常会加入机械限位结构。因此，基于此类架构的加速度计广泛应用于汽车电子（如ESP、气囊）、工业自动化（如平台稳定控制、倾角测量）、惯性导航系统和高端消费电子产品。

根据麦姆斯咨询的报道，电子科技大学与中国科学院半导体研究所的研究团队近日提出了一款高性能MEMS加速度计，采用了对称差分“三明治”电容结构。该设计结合了正交矩形补偿方法与湿法各向异性刻蚀工艺，实现了结构的高度对称性。同时，加速度计采用玻璃-硅复合盖板，通过阳极键合技术将上下盖板与敏感结构封装于一体，从而有效抑制了寄生电容。

仿真结果表明，该器件的敏感轴（Z轴）谐振频率与正交/扭转模态之间具备良好的频率分离特性，大幅降低了交叉轴耦合。实际测试中，器件在0～8 g的测量范围内表现出高灵敏度（0.2216 V/g）和优异的线性度（99.842%）。此外，其噪声性能达到7.88 µg/√Hz，零偏不稳定性为6.39 µg，性能指标可与主流商用产品竞争。该成果为高精度惯性传感应用提供了可靠的技术支持，并已发表于《Micromachines》期刊，题为“A Low-Noise MEMS Accelerometer Based on a Symmetrical Sandwich Capacitor Structure”。

MEMS加速度计的设计与制造

该加速度计的工作原理基于牛顿第二定律，其核心由质量块和支撑质量块的弹性梁组成。如图1所示，该结构涉及七个关键参数，分别定义了质量块和弹性梁的尺寸以及与电极之间的初始间隙。

图1 MEMS加速度计的敏感结构及其关键参数示意图

研究人员利用COMSOL Multiphysics 6.1建模软件构建了摆式敏感结构的三维模型。在模型中，质量块由四根弹性梁连接至外框架，并通过有限元分析（FEA）计算了X、Y、Z三个方向的谐振频率，其中Z轴被设定为敏感方向。

仿真结果（图2）显示，结构的一阶谐振模态对应于Z轴方向，频率为13,256 Hz。这一频率显著低于X轴（109,772 Hz）、Y轴（256,110 Hz）以及平面外扭转模态（30,091 Hz）。图3展示了在1 g加速度作用下三个方向的位移响应。

图2 敏感结构谐振模态仿真结果：（a）X轴；（b）Y轴；（c）Z轴；（d）面外扭转模态

图3 敏感结构在1 g加速度作用下的总位移：（a）Z轴；（b）X轴；（c）Y轴

摆式结构采用双面抛光硅片，并通过TMAH各向异性湿法刻蚀工艺加工完成。首先，在硅片两面刻蚀空腔，用于定义盖板间距；接着释放质量块及弹性支撑梁结构。硅-玻璃复合盖板通过深硅刻蚀与阳极键合工艺独立制备。玻璃回流工艺用于填充硅槽，随后通过研磨和化学机械抛光（CMP）恢复硅表面。最后，利用磁控溅射工艺沉积图形化金属电极（见图4）。该盖板设计显著降低了寄生电容。

图4 MEMS加速度计盖板

在TMAH溶液中进行各向异性湿法刻蚀时，由于晶向不同导致不同区域刻蚀速率不均，容易在质量块的凸角部位产生下蚀现象。为缓解这一问题，研究人员采用正交矩形补偿方法，在光刻掩膜的凸角处添加辅助图形。这些图形会引导刻蚀液优先作用于补偿区域，从而保护实际器件结构的完整性。图5展示了不同补偿设计的效果。

图5 不同凸角补偿方案的效果

在完成摆式结构与硅-玻璃复合盖板的制备后，研究人员进行了器件的组装。通过高精度对准，将上、下盖板与中间敏感结构层结合，随后通过阳极键合工艺将三层永久连接，形成密封的差分电容检测单元，完成器件的三维封装。整个工艺流程如图6所示。

图6 MEMS加速度计制备工艺流程

最终，MEMS加速度计芯片与检测电路的ASIC芯片被封装在统一外壳中，构成完整的加速度计封装组件，如图7所示。

图7 MEMS加速度计封装组件及其测试板

性能表征

在22 °C的室温条件下测试了MEMS加速度计的响应特性，其灵敏度曲线如图8所示。测试结果表明，输出与输入加速度呈良好线性关系，灵敏度为0.2216 V/g，显示出优异的检测能力。在0～8 g范围内，器件的线性度为99.842%，表现出极佳的线性输出。

图8 MEMS加速度计的输出响应

零加速度输出（ZRO）是反映加速度计噪声水平和输出偏移的重要参数。图9展示了该器件的ZRO漂移测试结果，最大漂移量约为0.42 mg，表明其具备良好的稳定性。

图9 MEMS加速度计的零加速度输出

零偏不稳定性则反映了无外部加速度输入时输出的随时间漂移行为，通常通过ZRO的Allan偏差进行评估。测试结果（图10）显示，该器件的零偏不稳定性为6.39 μg。同时，通过对ZRO进行傅里叶变换获得的噪声功率谱密度为7.88 μg/√Hz（@10 Hz），如图11所示，表明该加速度计具备极低的噪声水平。

图10 MEMS加速度计的Allan偏差

图11 MEMS加速度计的噪声功率谱密度

小结

本研究开发了一种基于对称差分电容结构的高性能MEMS加速度计。通过结合湿法刻蚀与凸角补偿工艺，实现了高对称性结构；借助玻璃-硅复合盖板与三层阳极键合封装技术，有效抑制了寄生电容。仿真与实测结果表明，该加速度计具备良好的频率分离特性，交叉耦合低、灵敏度高、线性度优异，同时具备出色的低噪声性能和零偏稳定性。该设计为高精度惯性导航、平台稳定控制以及工业监测等应用提供了坚实的技术支撑。

论文链接：https://doi.org/10.3390/mi17020271

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