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摘 要：传统的体硅方式加工的微加速度计具有体积大，成本高，不易与处理电路单片集成的缺点。而采用CMOS工艺方式加工的微加速度计具有体积小，成本低，噪声小，易与处理电路单片集成，更符合当今智能手机和可穿戴设备的需求。针对集成加速度计行评述，叙述电容式加速度计检测原理，并提出一种基于CMOS工艺的一种制备加速度计的加工方式。
关键词：加速度计 MEMS POST CMOS
中图分类号：U666.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（c）-0054-03
IT业的未来主要集中在可穿戴设备、车联网、智能家居、云计算这几方面。最几年，随着智能手机与可穿戴设备的兴起，加速度计的应用领域从最初的汽车工业和航空已经拓展到消费电子领域。可以预见集成惯性传感器未来会深入到到人类生活各个方面。而低生产成本、单片集成、低功耗和高信噪比的加速度计仍是最近的研究热点[3]。
1 集成MEMS加速度计
起初利用传统的微机械加工方法制造加速度計。用这种方法制造的速度计质量虽然大，但是体积也大，应用场合受到很大限制。后来人们利用MEMS技术制造的加速度计克服了上述缺点。硅微加速度计可以利用可以用表面牺牲层技术制造，也可以利用体硅技术制造。利用体硅技术制造的加速度计精度较高，质量块大，但由于加工技术与IC工艺较难兼容，必须外加检测电路，因此成本较高，而采用表面牺牲层加工工艺的硅微加速度计则客服了上述缺点[1]。
卡内基梅伦大学（Carnegie Mellon）研发出一种利用CMOS中的的绝缘层和金属层来做MEMS微结构的工艺。研究者利用0.35μm CMOS工艺中的Top-Metal做掩模，并用深反应离子刻蚀SiO2形成微结构侧壁，然后对硅衬底进行各向异性的深刻蚀，最终再对硅衬底进行各向同性的湿法刻蚀释放出微结构。
值得一提的是，美新半导体（MEMSIC）公司，商品化了热加速度计。MEMSIC公司的加速度计完全没有采用传统意义上的质量块，其通过检测密封在封装体中的热图气体对加速度实现检测。当无加速度时气团的温度成对称分布，因此两侧的温度相同，当有加速度时，热气团的温度不再呈对称分布，因此两侧的温度会有差值，这个差值反映了外界加速度的大小，从而实现加速度的检测。
2 加速度计工作原理及集成加速度计制备方法
2.1 加速度计工作原理
加速度计可以由二阶质量块、弹簧和阻尼系统来描述，其控制方程为：
（1）
其中，m为悬浮质量块质量，b为阻尼系数，k为弹性常数。
2.2 电容式加速度计检测原理
大多数CMOS MEMS单片集成加速度计采用电容检测方法，相比其他检测方式，电容检测时传感单元功耗极其低，同时可以得到最高位移分辨率。侧壁电容结构通常为梳齿状结构。这样在给定的版图面积上，采用这种布局可以增大感测电容值。
在电容式加速度计中，为了提高加速度计的灵敏度，可以采用全差分的电容桥的检测方式，其检测机理如图1所示。当可动质量块改变引起4个电容值同步改变时，器件的灵敏度最大。全差分结构可以有效的增加传感器的共模抑制比和电源抑制比。全差分电容桥输入端加入一个对称经过处理电路调制的AC信号Vm。这个调制信号可以是正弦信号或方波信号。当4个电容同步变化时，MEMS加速度计的感应电极会向电路提供一个差分的输出信号。
以下用表示质量块没有位移时与电容极板间距，用c质量块的位移来对全差分电容结构进行讨论。
全差分电容桥输出端的感测电压为：
（2）
全差分电容桥输出端的感测电压为：
（3）
全差分电容桥输出端的总差分感测电压为：
（4）
电容桥的输出在后续的检测电路中，会被放大。当信号带宽远远低于加速度计的谐振频率时，检测质量块和外部加速度近似成正比，为加速度计的直流机械灵敏度。
（5）
因此这种结构输出的灵敏度为：
（6）
假设在质量块没有产生位移时，当质量块有x位移时：
（7）
（8）
C1、C2带入输出电压方程（4）
（9）
C1、C2带入灵敏度方程（6）
（10）
由（10）可知，电容传感器的灵敏度与感测输入电压成正比，与和成反比。在加速度计设计过程中这一结论很重要，为了获得更高的灵敏度可以提高或者降低和。、和是定值，因此输出电压与外界加速度成线性关系。但是在整个系统中，从电容检测端看入，除了检测电容外，还有寄生电容。因此检测电压与加速度不会简单的只是线性关系。增加了加速度计结构设计难度。
2.3 集成制备工艺
目前，CMOS MEMS已经成为MEMS加工制作的主流技术。微机械结构的加工和CMOS工艺集成可以采用不同的方法来实现。微机械结构的加工可以在插入标准CMOS工艺流程之前（前CMOS）、嵌入在标准CMOS工艺之中（内CMOS）、插入在完成CMOS工艺之后（后CMOS）进行[3-4]。
Post CMOS微机械加工方法是与CMOS foundry关联最小的集成CMOS微机械加工方法。原则上，常规的CMOS工艺流程可以在任何一家CMOS foundry完成，完成CMOS工艺流程后，Post CMOS微机械加工流程可以在特定的MEMS工厂完成。为确保制造的灵活性必须严格控制对铝金属化之后的标准CMOS芯片的所有热处理加工温度。CMOS之后的处理温度最高不能超过450℃，因此不能进行LPCVD淀积多晶硅和随后的高温退火。Post CMOS工艺流程中常见的是刻蚀工艺释放微结构，在微结构刻蚀/释放工艺加工时，CMOS电路可能需要特殊保护[3-4]。 CMOS工艺中主要堆叠的材料有，单晶硅衬底，多晶硅层（Poly）、金属层（Al）、氧化层（Fox，氧化栅极和USG介电层），钨通孔等。由图2可知，顶层金属（M5）的顶部到FOX的距离8.07μm。这样的SiO2厚度足可以做薄膜加速度计的质量块。
具体工艺步骤如下：
（1）将CMOS工艺线上回来的器件投入硫酸（H2SO4）双氧水（H2O2）的溶液中。加热溶液到90℃。
（2）对反应液的温度进行实时监测。随着反应的进行双氧水浓度下降，刻蚀速率变慢，需要再次在溶液中添加少量双氧水维持反应速率。
（3）重复（2）中添加双氧水，直到金属刻蚀完成。
（4）刻蚀完成后需要防止粘附。用纯水中将硫酸溶液稀释置换出来。再用异丙醇溶液将纯水置换。然后放到加热器中将异丙醇蒸发干净。到此金属牺牲层刻蚀完成。
（5）金属牺牲步骤完成后，需要对悬浮结构中的钝化保护层去除。去除钝化层的方法采用反应离子刻蚀（RIE）去除，从去除覆盖微结构处的PASS，顶层金属裸露出来。此步骤工艺完成后如图2示意图所示。有图3可知：进行完RIE后，MEMS微结构仍未悬浮，必须进行（6）步骤的硅衬底刻蚀才能完成释放。
（6）接下来采用反应离子刻蚀（RIE）对衬底进行刻蚀释放结构。采用刻蚀剂为XeF2，由于对衬底的刻蚀为各向同性刻蚀因此在进行布局设计时要主要MEMS微结构与CMOS电路间的间隔。衬底刻蚀完成后微结构释放悬浮起来，如图4所示。
3 结语
该文对集成加速度计进行评述，叙述电容检测方式的加速度计原理。CMOS工艺本身形成的金属-氧化对叠层，这些對叠层可以方便的设计出MEMS器件的悬浮结构。本论文以5层金属的CMOS工艺为基础，选择Post CMOS工艺中牺牲金属和正面刻蚀衬底的组合工艺制作出加速度计的悬浮结构。POST CMOS工艺的加工方式因与具体的CMOS Foundry无关，对于制造能力有限的MEMS公司，Post CMOS工艺受到很多MEMS公司的青睐。
参考文献
[1] 张兴，黄如，刘晓彦.微电子学概论[M].3版.北京：北京大学出版社，2010.
[2] Chang Liu.微机电系统基础原书[M].2版.黄庆安，译.北京：机械工业出版社，2013.
[3] O.Brand.CMOS MEMS技术与应用[M].黄庆安，译.南京：东南大学出版社，2007.
[4] Mohamed.微机电系统应用[M].张海霞，译.北京：机械工业出版社，2009.
[5] M.-H.Tsai，Y.-C.Liu，W.Fang.A Three-Axis CMOS-MEMS Accelerometer Structure With Vertically Integrated Fully Differential Sensing Electrodes[J].Journal of Microelectromechanical Systems，2012，21（6）：1329-1337.
关键词：加速度计 MEMS POST CMOS
中图分类号：U666.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（c）-0054-03
IT业的未来主要集中在可穿戴设备、车联网、智能家居、云计算这几方面。最几年，随着智能手机与可穿戴设备的兴起，加速度计的应用领域从最初的汽车工业和航空已经拓展到消费电子领域。可以预见集成惯性传感器未来会深入到到人类生活各个方面。而低生产成本、单片集成、低功耗和高信噪比的加速度计仍是最近的研究热点[3]。
1 集成MEMS加速度计
起初利用传统的微机械加工方法制造加速度計。用这种方法制造的速度计质量虽然大，但是体积也大，应用场合受到很大限制。后来人们利用MEMS技术制造的加速度计克服了上述缺点。硅微加速度计可以利用可以用表面牺牲层技术制造，也可以利用体硅技术制造。利用体硅技术制造的加速度计精度较高，质量块大，但由于加工技术与IC工艺较难兼容，必须外加检测电路，因此成本较高，而采用表面牺牲层加工工艺的硅微加速度计则客服了上述缺点[1]。
卡内基梅伦大学（Carnegie Mellon）研发出一种利用CMOS中的的绝缘层和金属层来做MEMS微结构的工艺。研究者利用0.35μm CMOS工艺中的Top-Metal做掩模，并用深反应离子刻蚀SiO2形成微结构侧壁，然后对硅衬底进行各向异性的深刻蚀，最终再对硅衬底进行各向同性的湿法刻蚀释放出微结构。
值得一提的是，美新半导体（MEMSIC）公司，商品化了热加速度计。MEMSIC公司的加速度计完全没有采用传统意义上的质量块，其通过检测密封在封装体中的热图气体对加速度实现检测。当无加速度时气团的温度成对称分布，因此两侧的温度相同，当有加速度时，热气团的温度不再呈对称分布，因此两侧的温度会有差值，这个差值反映了外界加速度的大小，从而实现加速度的检测。
2 加速度计工作原理及集成加速度计制备方法
2.1 加速度计工作原理
加速度计可以由二阶质量块、弹簧和阻尼系统来描述，其控制方程为：
（1）
其中，m为悬浮质量块质量，b为阻尼系数，k为弹性常数。
2.2 电容式加速度计检测原理
大多数CMOS MEMS单片集成加速度计采用电容检测方法，相比其他检测方式，电容检测时传感单元功耗极其低，同时可以得到最高位移分辨率。侧壁电容结构通常为梳齿状结构。这样在给定的版图面积上，采用这种布局可以增大感测电容值。
在电容式加速度计中，为了提高加速度计的灵敏度，可以采用全差分的电容桥的检测方式，其检测机理如图1所示。当可动质量块改变引起4个电容值同步改变时，器件的灵敏度最大。全差分结构可以有效的增加传感器的共模抑制比和电源抑制比。全差分电容桥输入端加入一个对称经过处理电路调制的AC信号Vm。这个调制信号可以是正弦信号或方波信号。当4个电容同步变化时，MEMS加速度计的感应电极会向电路提供一个差分的输出信号。
以下用表示质量块没有位移时与电容极板间距，用c质量块的位移来对全差分电容结构进行讨论。
全差分电容桥输出端的感测电压为：
（2）
全差分电容桥输出端的感测电压为：
（3）
全差分电容桥输出端的总差分感测电压为：
（4）
电容桥的输出在后续的检测电路中，会被放大。当信号带宽远远低于加速度计的谐振频率时，检测质量块和外部加速度近似成正比，为加速度计的直流机械灵敏度。
（5）
因此这种结构输出的灵敏度为：
（6）
假设在质量块没有产生位移时，当质量块有x位移时：
（7）
（8）
C1、C2带入输出电压方程（4）
（9）
C1、C2带入灵敏度方程（6）
（10）
由（10）可知，电容传感器的灵敏度与感测输入电压成正比，与和成反比。在加速度计设计过程中这一结论很重要，为了获得更高的灵敏度可以提高或者降低和。、和是定值，因此输出电压与外界加速度成线性关系。但是在整个系统中，从电容检测端看入，除了检测电容外，还有寄生电容。因此检测电压与加速度不会简单的只是线性关系。增加了加速度计结构设计难度。
2.3 集成制备工艺
目前，CMOS MEMS已经成为MEMS加工制作的主流技术。微机械结构的加工和CMOS工艺集成可以采用不同的方法来实现。微机械结构的加工可以在插入标准CMOS工艺流程之前（前CMOS）、嵌入在标准CMOS工艺之中（内CMOS）、插入在完成CMOS工艺之后（后CMOS）进行[3-4]。
Post CMOS微机械加工方法是与CMOS foundry关联最小的集成CMOS微机械加工方法。原则上，常规的CMOS工艺流程可以在任何一家CMOS foundry完成，完成CMOS工艺流程后，Post CMOS微机械加工流程可以在特定的MEMS工厂完成。为确保制造的灵活性必须严格控制对铝金属化之后的标准CMOS芯片的所有热处理加工温度。CMOS之后的处理温度最高不能超过450℃，因此不能进行LPCVD淀积多晶硅和随后的高温退火。Post CMOS工艺流程中常见的是刻蚀工艺释放微结构，在微结构刻蚀/释放工艺加工时，CMOS电路可能需要特殊保护[3-4]。 CMOS工艺中主要堆叠的材料有，单晶硅衬底，多晶硅层（Poly）、金属层（Al）、氧化层（Fox，氧化栅极和USG介电层），钨通孔等。由图2可知，顶层金属（M5）的顶部到FOX的距离8.07μm。这样的SiO2厚度足可以做薄膜加速度计的质量块。
具体工艺步骤如下：
（1）将CMOS工艺线上回来的器件投入硫酸（H2SO4）双氧水（H2O2）的溶液中。加热溶液到90℃。
（2）对反应液的温度进行实时监测。随着反应的进行双氧水浓度下降，刻蚀速率变慢，需要再次在溶液中添加少量双氧水维持反应速率。
（3）重复（2）中添加双氧水，直到金属刻蚀完成。
（4）刻蚀完成后需要防止粘附。用纯水中将硫酸溶液稀释置换出来。再用异丙醇溶液将纯水置换。然后放到加热器中将异丙醇蒸发干净。到此金属牺牲层刻蚀完成。
（5）金属牺牲步骤完成后，需要对悬浮结构中的钝化保护层去除。去除钝化层的方法采用反应离子刻蚀（RIE）去除，从去除覆盖微结构处的PASS，顶层金属裸露出来。此步骤工艺完成后如图2示意图所示。有图3可知：进行完RIE后，MEMS微结构仍未悬浮，必须进行（6）步骤的硅衬底刻蚀才能完成释放。
（6）接下来采用反应离子刻蚀（RIE）对衬底进行刻蚀释放结构。采用刻蚀剂为XeF2，由于对衬底的刻蚀为各向同性刻蚀因此在进行布局设计时要主要MEMS微结构与CMOS电路间的间隔。衬底刻蚀完成后微结构释放悬浮起来，如图4所示。
3 结语
该文对集成加速度计进行评述，叙述电容检测方式的加速度计原理。CMOS工艺本身形成的金属-氧化对叠层，这些對叠层可以方便的设计出MEMS器件的悬浮结构。本论文以5层金属的CMOS工艺为基础，选择Post CMOS工艺中牺牲金属和正面刻蚀衬底的组合工艺制作出加速度计的悬浮结构。POST CMOS工艺的加工方式因与具体的CMOS Foundry无关，对于制造能力有限的MEMS公司，Post CMOS工艺受到很多MEMS公司的青睐。
参考文献
[1] 张兴，黄如，刘晓彦.微电子学概论[M].3版.北京：北京大学出版社，2010.
[2] Chang Liu.微机电系统基础原书[M].2版.黄庆安，译.北京：机械工业出版社，2013.
[3] O.Brand.CMOS MEMS技术与应用[M].黄庆安，译.南京：东南大学出版社，2007.
[4] Mohamed.微机电系统应用[M].张海霞，译.北京：机械工业出版社，2009.
[5] M.-H.Tsai，Y.-C.Liu，W.Fang.A Three-Axis CMOS-MEMS Accelerometer Structure With Vertically Integrated Fully Differential Sensing Electrodes[J].Journal of Microelectromechanical Systems，2012，21（6）：1329-1337.