摘要：文中介绍了一种以表面微机械技术制造的带有片上静电自检测功能的压阻式加速度传感器。该芯片制造利用了表面微机械加工技术，以低应力氮化硅薄膜为结构材料，多晶硅作为压阻材料，引入了准LIGA的电镀铜工艺，实现了一款低成本、与IC制造工艺相兼容的压阻式加速度传感器。电镀的铜质量块使压阻输出获得了足够高的灵敏度。利用金属质量块和衬底形成的一对电极，实现了可片上检测器件是否正常工作的片上静电自检测功能。传感器测试结果表明，加速度输出灵敏度为25.1 /g，一3 dB频率带宽为1.3 kHz.
0 引言
MEMS压阻式加速度传感器具有结构简单，体积小，制造成本低，抗电磁干扰能力强等优点，应用十分广泛。目前，市场上主流的MEMS压阻式加速度传感器，是基于体硅微机械加工技术制造的。体硅微机械加工技术，一直以来被广泛用于MEMS器件尤其是加速度和压力传感器的生产制作中。然而，随着大规模集成电路技术的发展，传统的体硅微机械加速度传感器也暴露出体积大，不易与Ic工艺兼容和制造成本难以进一步降低以适应消费类电子市场廉价的需求等缺点，而与之相对应的表面硅微机械加工技术与集成电路工艺有很好的兼容性 ，在器件尺寸和成本上有进一步降低的潜力。但表面微机械加工技术中，用薄膜工艺制造大的惯性质量块比较困难，从而因惯性灵敏度过低限制了表面微机械技术在压阻式加速度传感器上的应用。
文中设计了一种基于表面微机械加工技术的压阻式加速度传感器。以低应力氮化硅薄膜为弹性结构材料，多晶硅为压阻材料，引人了准LIGA的电镀铜工艺，利用高质量密度的铜作为加速度传感器的惯性质量块单元。更为重要的是，利用电镀铜和硅片衬底形成了一对电极，实现了传感器的片上静电自检测功能。在传感器使用过程中，可以用该自检测功能来判断器件是否可以正常工作。在传感器芯片制造过程中，可用该自检测功能实现大圆片级的在线自检测，用静电力模拟惯性力来自动化测试每个芯片的好坏，为后续的选片和器件封装提供成品芯片，为大规模低成本的生产提供了便利。文中分别描述了该传感器的设计、制造和性能测试。
1 传感器设计
1.1 结构设计
设计的压阻式加速度传感器，利用表面微机械加工工艺，并用电镀铜技术在传感器的惯性质量块区域形成铜质量块。传感器结构原理如图1所示。
主体结构层为低应力氮化硅薄膜，在4个固支梁中间的质量块区域电镀了铜，形成质量块。4个氮化硅梁上分别集成有一个多晶硅压阻条，4个电阻构成惠斯通电桥。传感器的力学模型如图2所示。
考虑粱本身的质量远小于质量块的质量，可将设计结构简化为简单的弹簧一质量块模型。根据材料力学相关理论，以左侧梁为例，梁上表面应力的分布为
式中
。 为氮化硅杨氏模量。计算的应力分布曲线如图3所示。从图中可以看出，梁上表面应力呈对称分布。梁根部和梁靠近质量块的部分应力最大，且符号相反。将压阻设计在应力最大的部位，可以获得最大的压阻输出。
1.2 传感器灵敏度
压阻式传感器利用压阻效应输出电压信号。根据压阻效应的原理，施加在压阻条上的应力大小决定了压阻输出信号的大小。直接计算多晶硅压阻条上的应力比较困难，而氮化硅梁上表面的应力分布已由式(1)给出，则可利用氮化硅梁上表面的应力来间接计算多晶硅的应力。多晶硅压阻条淀积于氮化硅薄膜上表面之上，二者具有相同的应变量，但由于多晶硅和氮化硅材料的杨氏模量不同，同样的应变产生的应力不同。考虑到杨氏模量的差异，多晶硅压阻条上的应力可表示为
1.3 自检测功能的设计
为实现静电自检测结构，在衬底硅上进行离子注入来掺入杂质磷，降低衬底的电阻率，使得衬底与电镀的铜质量块形成一对电极。如图4所示，当在电极两端加直流电压时，由于电容静电力的作用，使得质量块向衬底方向移动，导致压阻电桥输出电压产生变化。
式中：A为铜质量块面积; 为真空介电常数;d为质量块到衬
底的距离。自检测功能可以用于快速检测器件的好坏;在器件芯片大规模生产中，能够实现在线测试来显著降低制造中的测试成本，提高测试效率。在实际器件应用中，也为快速故障检测提供了一个快捷简便的测试手段。
2 制造工艺
该芯片采用普通4寸双抛硅片为基底材料，利用LPCVD沉积SiO2/PSG(phosphorous silicon glass)作为牺牲层，再淀积低应力氮化硅作为器件微机械结构材料，然后通过离子注入，RIE(reactive ion etching)刻蚀，金属溅射以及电镀等工艺在在器件上形成压阻电桥和质量块。整个流程均采用表面微机械加工技术，与集成电路制造工艺可以很好的兼容。利用深腐蚀工艺制作盖板片，最后利用BCB(benzocycl0butene)键合工艺将盖板片与正片对准键合，保护可动部件不被损坏。具体实现的工艺流程如图5所示。
经过计算可得5 V供电情况下加速度传感器的实际灵敏度约为25.1 V/g.由于电镀铜的质地比较疏松，使得质量块有效质量偏小，所以实际得到的灵敏度略低于设计灵敏度。图9所示为传感器的幅频特性曲线，输入加速度为10 g，扫描频率从1O Hz～3 kHz，得到一3 dB频率带宽约为1.3 kHz.在一40—100 oC的温度范围内，测得传感器的TCO(零点电压温度偏移系数)为0.46%/~C·FSO.
