摘要：先容了一耕田字形單質量塊三軸電容式微加快度計的設計與仿真。該加快度計以SOI晶圓作為基片，顛末氧化、光刻、干法刻蝕和濕法刻蝕等工藝步調獲得。通過支撐梁和3個軸的敏感布局的巧妙設計，有效制止了平面內和垂直偏向的交錯軸滋擾的影響，并提高了Z軸的敏捷度。通過差分電容的設計，理論上消除了交錯軸滋擾。通過仿真獲得了該加快度計在3個軸向上的敏捷度及抗攻擊本領。結公道論闡明和ANSYS仿真功效，可以得出結論：所設計的加快度計擁有較低的交錯軸滋擾、較高的敏捷度以及較強的抗攻擊本領，在慣性傳感器規模有必然的應用前景。

0   引言

微加快度計占據了微傳感器市場中很大的一部門，由于低制造本錢、小體積、易與CMOS電路集成等特點，其應用規模十分遍及，包羅了從消費電子到小我私家導航等方面。然而，受制于外貌微加工工藝造成的器件厚度較薄的原因，微加快度計在高精度、高敏捷度加快度計市場合占份額十分有限。而跟著SOI（Silicon On Insulator，絕緣襯底上的硅）技能的呈現，體微加工工藝很好地辦理了精度低、敏捷度小這個問題。SOI晶圓相較于普通的單晶硅晶圓有許多利益，譬喻優異的質料特性，容易實現大厚度器件，低殘余應力，以及簡樸的制造工藝[1~5]。Toshiyuki Tsuchiya等人回收不等高梳齒設計了一種基于SOI的三軸電容式微加快度計[6]。XIE Jianbing等人操作SOI的襯底層來增大質量塊，設計了一種平面內的單軸電容式加快度計[7]。

本文中設計的三軸電容式微加快度計回收了中心對稱的田字形布局，實現了僅用1個質量塊來敏感3個軸向的加快度。通過差分設計，理論上消除了三軸之間的交錯軸滋擾。同時，通過將X軸和Y軸的梳齒電極配置在田字形質量塊的內側，而將Z軸梳齒電極和彈性支撐梁配置在質量塊的外側， 220UF 25V，大幅度增加Z軸梳齒電容對數，從而提高了Z軸的敏捷度。并且，配置在質量塊內部的牢靠布局不只可以用來形成牢靠電極，并且能作為止擋布局，提高整個加快度計在平面內的抗攻擊本領。

1   加快度計布局設計與事情道理

1.1 加快度計布局設計

圖1為所設計的微加快度計的俯視圖。該加快度計整體布局中心對稱，質量塊部門為田字形，質量塊通過四角的支撐梁毗連在錨點上。支撐梁成45°斜置在質量塊外部4個直角處，相對付安排在質量塊內部或外部的4條邊上，可以節減出更多的空間來增加Z軸的梳齒對數。田字形質量塊內部有4個溝通的大方孔，左上和右下2個方孔配置有X軸梳齒電容，共4組；右上和左下2個方孔配置有Y軸梳齒電容，共4組。田字形質量塊的外部4條邊上配置有Z軸梳齒電容，共8組。

圖1 微加快度計整體布局俯視圖

X軸的4組梳齒電容和Y軸的4組梳齒電容，布局溝通，均回收等高梳齒設計，高度均為頂層硅厚度t，如圖2，僅僅擺放的偏向成90°。Cx1，Cx2，Cx3，Cx4用來丈量X軸的加快度；Cy1，Cy2，Cy3，Cy4用來丈量Y軸的加快度。X軸或Y軸的牢靠梳齒與兩側可動梳齒之間的間距不等，且d1<<d2，因而間距為的d2的電容可忽略不計，實現了變間距的電容設計。

圖2 微加快度計X、Y軸偏向的等高梳齒電極

Z軸的8組梳齒電容均回收不等高梳齒設計。如圖3，個中的4組（Cz1，Cz4，Cz5 ，Cz8），可動梳齒高度為t，而牢靠梳齒高度為0.5t；別的4組（Cz2，Cz3，Cz6，Cz7），可動梳齒高度為0.5t，而牢靠梳齒高度為t。Cz1，Cz2，Cz3，Cz4，Cz5，Cz6，Cz7，Cz8均用來丈量Z軸的加快度。Z軸的牢靠梳齒與兩側的可動梳齒之間的間距相等，均為d0，且d0=d1，實現了變面積的電容設計。

圖3 微加快度計Z軸偏向上的不等高梳齒電極

不等高梳齒的實現要領為操作二氧化硅和聚酰亞胺作為硬掩膜，第1次深硅刻蝕時，所有高度為t的梳齒上方有二氧化硅和聚酰亞胺兩層硬掩膜，而高度為0.5t的梳齒上方僅有聚酰亞胺一層掩膜；但在第2次深硅刻蝕時前，聚酰亞胺會被干法刻蝕去掉，這樣高度為t的梳齒上方會剩下二氧化硅硬掩膜，而高度為0.5t的梳齒上方在第2次深硅刻蝕時是沒有掩蔽層的。由于兩次深硅刻蝕都只刻蝕頂層硅一半的厚度，最終獲得的功效就是前面所設計的梳齒布局。

1.2 加快度計事情道理