低热机械噪声MEMS加速度计设计.pdf

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1、2011年第3O卷第l1期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)89低热机械噪声MEMS加速度计设计杨丹琼，陈志龙，徐静，钟少龙，李四华，吴亚明(1．中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050；2．中国科学院研究生院，北京100040；3．南昌理工学院，江西南昌330013)摘要：介绍了一种能够在大气条件下具备低噪声、高灵敏度特性的MEMS加速度计设计、制作与测试。器件采用梳齿电容检测方法，利用MEMS体硅加工工艺，实现了210对梳齿的加速度计制

2、作。该加速度计不需要真空封装和阻尼孔就能实现低热机械噪声特性，其理论热机械噪声为0．018H2。加速度计芯片在大气封装和无阻尼孔情况下Q值高达455．06，与理论分析结果相符，具有较低的热机械噪声。关键词：加速度计；热机械噪声；体硅工艺；梳齿电容；滑膜阻尼中图分类号：TP212．1文献标识码：A文章编号：1000-9787(2011)11-0089-03Designoflowthermal·mechanicalnoiseMEMSaccelerometerYANGDan．qiong，CHENZhi—long。，

3、XUJing，ZHONGShao—long，LISi—hua，WUYa—ming(1．ShanghaiInstituteofMicrosystemandInformationTechnology，Shanghai200050，China；2．GraduateSchoolofChineseAcademyofSciences，Beijing100040，China；3．NanchangInstituteofTechnology，Nanchang330013，China)Abstract：Thedesign，nla

4、nLlfactureandtestresultsofaMEMSaccelerometerwithlOWthermal—mechanicalnoiseandhighsensitivityispresented．Thisaccelerationsensorisbasedoncombfingercapacitancetestingandrealizedbybulksiliconprocess．Thereare210pairsofcombfingerintheaccelerationsensor．Thissensor

5、doesnotneedvacuumpackagetoachievelowthermal—mechanicalnoise．Thetheoreticvalueofthermal—mechanicalnoiseis0．018g／v／Hz．ThetestresultshowsthattheQfactorachieves455．06inatmospherepackageandwithoutdampingholes，whichmatchestheanalysisresultintheory．Keywords：aceele

6、rometer；thermal—mechanicalnoise；bulksiliconprocess；combfingercapacitance；slidedamping0引言为此需要发展低噪声、高灵敏度的MEMS加速度传感器。基于微电子机械系统(MEMS)技术的微加速度计具有噪声是影响加速度传感器应用的关键因素，主要包括热机尺寸小、重量轻、灵敏度高、可批量生产等优点。MEMS加械噪声和电路部分的电路噪声两部分。加速度计的热机械速度计按其检测原理主要分为：压阻式、压电式J、热感噪声是传感器的本底噪声，无法通过

7、提高器件灵敏度或电路信号处理的方法降低，是限制加速度计可检测的最小加式以及电容式J。目前应用最广的加速度计采用电容速度和最小变化量的基本因素。所以，MEMS加速度计设检测方法，其MEMS制造工艺可与集成电路工艺兼容，具计在考虑提高灵敏度的同时，还需要同时考虑降低其热机有灵敏度高、温度特性好等优点。按电容结构的形式可分械噪声，尤其是对低噪声、高精度的高端应用。MEMS加速为平板电容检测与梳齿电容检测。平板电容检测具有度计的热机械噪声主要来源于空气对加速度计的阻尼作用较大的初始电容值，能够获得较高的检测灵敏度。梳

8、齿电产生的随机噪声。由于MEMS加速度计质量块的质量通容检测的加速度计工艺简单，通常采用回形梁和多对梳齿常在g至mg量级，变间隙型加速度计空气阻尼产生的热检测，通过梳齿电容间隙的变化实现加速度信号检测J。机械噪声通常在昏／v／Hz至m昏／v／Hz量级，极大地限制最小这两种结构的MEMS加速度计都是利用电容间隙的变化分辨加速度和加速度检测精度。为了降低热机械噪声，通实现加速度的测量，需要利用闭环检测来