蒲金飞，侯占强，虢晓双，曾承志，肖定邦，吴学忠

（1. 国防科技大学 智能科学学院，长沙 410073；2. 湖南天羿领航科技有限公司，长沙 410100；3. 唐智科技湖南发展有限公司，长沙 410007）

微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems,MEMS）加速度计作为运动物体加速度测量的惯性器件，因具有成本低、体积小、功耗低、环境适应性强和可批量生产的特点，广泛应用于航空航天、飞航导弹、制导弹药、消费电子、健康监测等军用和民用等领域[1,2]。特别地，电容式加速度计因其结构、性能、加工等方面的优势一直都是加速度计领域重要研究对象[3]，原理上电容式加速度计依靠惯性力引起的敏感结构与检测电极之间正对面积或间距变化来检测外部加速度大小，但当环境温度改变时，受器件敏感结构本身热膨胀或者键合以及粘接等过程不同材料热弹性系数不一致引入的热应力等影响，造成结构变形引起非工作状态检测电容变化，会降低加速度计的检测精度和性能。研究表明[4]，影响加速度计零偏、标度因数稳定性等关键性能主要因素是环境温度变化引起的热应力对器件输出的影响，所以良好的温度稳定性是实现高性能加速度计应用的基本保证，如何降低或消除温度变化引起的热应力也成为近年来加速度计性能提升研究的热点之一。

应力释放或者隔离结构是目前加速度计降低热应力影响提高器件温度稳定性的主要方法之一。Hao Kang[5,6]等提出在谐振式加速度计的“E”形梁上增加应力释放结构可以降低灵敏度温度系数提高温度稳定性；李青松[7]提出在键合锚点和承载质量块的主框架之间增加弹性梁式应力释放结构，能够降低质量块与框架连接梁的应力幅同时减小连接梁因应力变化产生的刚度变化，提升温度稳定性；Hsieh-Shen Hsieh[8]基于压电式三轴加速度计设计了一种在器件内部的“环状”应力隔离结构，可以降低外部温度、力/位移变化时造成的非敏感信号输出；Yonggang Yin[9]提出了基于SOI工艺来改变敏感结构锚点数量和位置，提高结构对称性以及热应力作用下形变均匀性的谐振式加速度计热应力隔离结构，以及改变敏感结构与玻璃基底键合区域连接形状降低因材料热弹性系数不同造成的热应力对加速度计输出的影响，该加速度计的温变灵敏度为10 μg/°C，1 h零偏稳定性可达0.7 μg；Jian Cui[10]在谐振式加速度计的轴对称锚点上安装应力隔离框，其敏感元素两对双端固支音叉设计在应力隔离框架形成“中”形的两个“口”内，“中”形竖线两端为与敏感质量块相连的框架锚点，当温度变化时，由于材料热弹性不同引起的应力集中在“中”形竖线上保证敏感元素不受热应力影响，在-40℃～40℃温度区间下，其偏置热灵敏度和补偿稳定性分别为0.42 mg/°C和0.6 mg。同时，还有学者研究了杨氏模量[11,12]与键合应力[9]对热应力的贡献大小并使用应力隔离结构提升温度稳定性，基于TSV封装工艺的应力释放槽设计并研究了不同维度模型、基底厚度、TSV半径与材料、隔离槽结构参数等与热应力大小的关系[13]，通过增加缓冲梁和隔离框的方式改变敏感结构形式降低敏感结构的热应力水平提升器件的温度稳定性[14]等。

上述研究表明，应力释放与隔离结构是提升加速度计温度稳定性的有效措施，相比温度补偿它能在原理上减小加速度计输出的温度系数。在这些研究的基础上，本文以蝶翼式MEMS加速度计为研究对象，提出了一种在芯片级设计应力释放结构减小谐振结构热变形、封装级增设应力隔离结构减小检测电极热变形的温度稳定性提升方法，降低温度变化产生的热应力对加速度计输出的影响。

1 蝶翼式加速度计

蝶翼式加速度计属于电容式加速度计，加速度检测核心部分的MEMS结构包括敏感结构、电极基板和密封盖帽，如图1所示，敏感结构是敏感外部加速度信号核心构件；检测电极在敏感结构正下方并与其构成检测电容器；密封盖帽是圆片级封装的必要结构之一。

图1 蝶翼式加速度计MEMS结构示意图Fig.1 Schematic diagram of MEMS structure of butterfly accelerometer

蝶翼式加速度敏感结构采用四质量块反向扭摆全差分结构[15]，如图2(a)所示，当外界存在加速度作用时，在惯性力的作用下，两对非平衡质量块绕敏感梁作反向扭摆运动，如图2(b)所示，质量块与其正下方检测电极构成的电容器间隙发生变化，该变化正比于加速度的大小，利用ASIC中的C/V转换技术可将电容变化量转化为直观的模拟量，实现加速度的检测。

图2 蝶翼式加速度计敏感单元结构及工作原理图Fig.2 Structure and working principle diagram of sensitive unit of butterfly accelerometer

根据蝶翼式加速度计MEMS结构的工作原理可知，它可以等效为一个二阶振动系统，质量块通过敏感梁与外部固定部分相连，在外部有加速度输入时，受弹性力、阻尼力及惯性力共同作用。那么其运动方程则可以表示为：

其中，J为非平衡质量块的旋转惯量，kΦ为扭转刚度，cΦ为阻尼系数，a为敏感方向面外振动信号，Φ为悬臂梁的扭转角度，MΦ为常量。

当扭转角度Φ存在，即质量块产生倾斜运动，此时质量块与检测电极之间构成的电容器极板间隙产生变化ΔC形成，那么加速度与扭转角度、电容变化量之间关系如式(2)：

2 蝶翼式加速度计低应力结构设计与仿真分析

根据蝶翼式加速度计工作原理可知，敏感芯片输出变化的表现形式为敏感单元质量块与其正下方检测电极之间间隙变化。当温度变化时，敏感结构芯片本身的热变形，以及与敏感芯片粘接的陶瓷基底因热膨胀系数不同引起检测电极的热变形，成为影响蝶翼式加速度计温度稳定性的关键因素。

2.1 敏感梁应力释放结构设计

敏感结构芯片本身的热变形表现为敏感梁在温度变化时材料的杨氏模量发生变化，改变了原有梁的刚度使其产生与温度变化关联的变形，这时非平衡质量块敏感方向作扭转运动，输出漂移随之产生。热变形由材料本身的热应力引起，本文在传统蝶翼式加速度计“一”字形敏感梁的几何中心处设计了篱栅构型应力释放结构并与敏感梁成“十”字形，在温度变化时可以通过“张开、压缩”等动作降低敏感梁的应力水平，减少敏感梁在非加速度输入下的变形产生的输出误差，提升加速度计温度稳定性。对蝶翼式加速度计敏感梁有无应力释放结构进行仿真分析，如图3所示。

图3 敏感结构有无应力释放结构不同温度下热应力大小对比图Fig.3 Comparison diagram of thermal stress under different temperatures of sensitive structure with or without stress release structure

图中仿真了敏感单元的应力水平，应力最大位置为锚点固定区。其中对于无应力释放的敏感结构敏感梁端部上应力集中处的A、B两点来说，-40℃时应力分别为16.6 MPa、15.9 MPa，60℃时分别为13.4 MPa、12.8 MPa，而有应力释放的敏感梁同一位置的两点在-40℃时应力值分别为0.051 MPa、0.049 MPa，60℃时分别为0.041 MPa、0.039 MPa，由数据可知，其应力水平只有原结构的0.3%左右，说明当外部环境温度变化时，由于应力释放结构的存在，加速度计敏感梁因温度系数发生的无序扭转将大幅减小，提高了加速度检测单元的稳定性，同时提升了器件的温度稳定性。

2.2 封装应力隔离结构设计

应力释放结构仅削弱了敏感单元对加速度计温度稳定性的影响，但在加速度计封装过程中，由于加速度计敏感芯片、导电胶和陶瓷管壳的材料差异导致其热弹性系数不匹配，当环境温度变化时，这种热弹性系数不同产生的热应力会造成陶瓷管壳内的加速度计芯片弯曲，对于面外敏感的蝶翼式加速度计来说，这种弯曲会造成电极位置改变，导致非敏感信号输出的漂移，使加速度计的长期输出稳定性受到影响。

为了降低加速度计因材料热弹性系数不匹配对信号输出稳定性的影响，本文提出了在陶瓷基底与加速度计芯片之间增加应力隔离结构，使其由直接连接方式变为间接连接，切断陶瓷基底与加速度计芯片之间应力传递路径，降低封装应力对加速度计输出的影响。仿真分析了增加应力隔离结构前后加速度计的应力分布及大小（仿真模型省略导电胶和ASIC芯片），如图4所示。对于无应力隔离结构的加速度计，陶瓷基底与敏感芯片典型接触点A在-40℃时应力值为61 MPa，60℃时为40.6 MPa，同时与陶瓷基板连接的敏感芯片检测电极在温度变化时产生明显的弯曲；而增加了应力隔离结构的加速度计，其陶瓷基板、应力隔离结构、敏感芯片之间典型接触点A´、B´在-40℃时应力值分别为9.03 MPa、0.1 MPa，60℃时分别为6 MPa、0.1 MPa。上述数据表明，相比敏感芯片检测电极与陶瓷基板直接相连，增加应力隔离结构后，敏感芯片检测电极的应力水平下降一个数量级，验证了应力隔离结构能够保证敏感电极在温度变化时的结构稳定性。

图4 封装有无应力隔离结构不同温度下热应力大小对比图Fig.4 Comparison diagram of thermal stress under different temperatures with or without stress isolation structure

3 加工过程与性能测试

3.1 加工过程

增加了应力隔离结构的蝶翼式加速度计如图5所示，由敏感芯片、ASIC芯片、应力隔离结构、陶瓷管壳构成。

图5 蝶翼式加速度计理论模型Fig.5 Theoretical model of butterfly accelerometer

其中敏感芯片是敏感加速度的核心部件，决定了加速度计的极限性能；ASIC芯片可以测量敏感结构和固定电极之间的微弱电容变化，得到输入加速度大小，并通过C/V转换信号将加速度信号转换成为模拟信号；应力隔离结构可以降低敏感结构与陶瓷管壳直接接触时因热弹性系数不同引起的热应力水平；陶瓷封装具备气密性好、隔离度高等特点，能够为加速度计提供物理防护和稳定的工作环境。

MEMS加工工艺是加速度计由理论转化为实物的桥梁，同时其质量与精度是保证加速度计发挥设计性能的关键因素。按照蝶翼式加速度计理论模型，其敏感芯片采用基于硅硅键合的体硅SOI工艺技术，实现敏感结构及其应力释放结构的工艺制造、玻璃浆料键合，实现圆片级封装[15]。利用DRIE技术实现应力隔离结构的刻蚀释放。最后实现敏感芯片、应力隔离结构、ASIC芯片和陶瓷管壳的低应力互连。如图6所示，具体工艺流程为：（1）选用特定厚度的硅片制作应力隔离结构；（2）刻蚀隔离结构与敏感芯片连接的凸台；（3）刻蚀隔离结构与陶瓷基底之间的沉槽；（4）刻蚀隔离结构悬臂结构；（5）敏感芯片与应力隔离结构硅硅键合；（6）键合后的结构分别与ASIC芯片和陶瓷管壳连接。

图6 蝶翼式加速度计加工工艺流程Fig.6 Machining process flow of butterfly accelerometer

制作完成的蝶翼式加速度计实物如图7所示。

图7 蝶翼式加速度计实物图Fig.7 Physical drawing of butterfly accelerometer

3.2 性能测试

为了进一步验证应力释放与隔离结构设计的正确性，分别对有无两种结构各3只加速度计测试了-40℃～60℃的温度漂移，测试结果如图8所示。

图8 不同结构蝶翼式加速度计温度测试结果对比图Fig.8 Comparison of temperature test results of butterfly accelerometers with different structures

从图8中可以看出，在-40℃～60℃温度区间内，无应力释放与隔离结构的三只加速度计全温漂移平均值为6.19g，而有应力释放与隔离结构的三只加速度计全温漂移平均值仅为1.37g，提升约3.5倍，证明了本文提出的应力释放与隔离结构对加速度计温度稳定性提升的有效性。

4 结 论

本文以蝶翼式加速度计为研究对象，提出了一种用于提升其温度稳定性的方法，即通过设计应力释放与隔离结构降低结构热应力水平，并通过仿真和试验的方法验证了结构设计的有效性和正确性，通过研究可以得到以下结论：1）热应力对加速度计输出的影响主要来源于敏感结构变形和封装应力；2）在敏感梁上设计应力释放结构、在封装等热弹性系数不一致的连接区域设计应力隔离结构，能够明显提升加速度计的温度稳定性；3）设计应力释放和隔离结构参数时，需要考虑应力释放与隔离结构增加前后敏感结构的谐振频率变化情况。