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家族战队|MEMS加速度计可靠性值得关注，Z轴粘连问题何解？

MEMS是集成的微型系统 ， 它结合了电子、机械或其他（磁、液体和热等）元件 ， 通常采用半导体批量工艺技术来制造 。 MEMS惯性器件是指敏感结构采用微加工手段加工的MEMS加速度计和陀螺仪 ， 其中MEMS加速度计用于测量运动体的加速度 。 MEMS惯性器件不可避免地应用在各种恶劣的工作环境中 ， 由此引发的可靠性问题非常突出 。 在智能手机等消费电子领域 ， 三轴电容式MEMS加速度计的Z轴粘连问题也困扰着每家MEMS创业公司 ， 不少公司都因此遭遇过客户退货的尴尬 。 在歌尔股份申请的《一种加速度计中的Z轴结构》专利中 ， 阐述了常用的MEMS加速度计Z轴结构及存在的一些缺陷 。
MEMS加速度计Z轴结构及工作原理
常用的MEMS加速度计Z轴结构都是平板电容式 ， 质量块的运动模式是类似跷跷板的结构 。 参考图1 ， 在质量块1下方的衬底4上 ， 会有金属或多晶硅做的第一平板电极2、第二平板电极3 ， 质量块1与两块电极分别形成两个电容C1、C2 。 在无加速度输入的情况下 ， 质量块1与第一平板电极2、第二平板电极3之间的距离均相等 ， 此时C1和C2的值相等 。
家族战队|MEMS加速度计可靠性值得关注，Z轴粘连问题何解？图1 现有MEMS加速度计技术中Z轴结构的结构示意图
如有加速度输入的情况下 ， 质量块1不再平衡 ， 会发生类似跷跷板一样的翻转 ， 所述质量块1一边向下 ， 一边向上 ， 此时 ， 质量块1到第一平板电极2之间的距离 ， 与其到第二平板电极3之间的距离不再相等 ， 参考图2的视图方向 ， 而C1和C2的差值与输入的加速度成正比 ， 输出的正负号反映输入加速度的方向 。
家族战队|MEMS加速度计可靠性值得关注，Z轴粘连问题何解？图2 MEMS加速度计Z轴结构的质量块发生偏转时的示意图
上述MEMS加速度计的Z轴结构存在的缺陷
（1）工艺复杂度和成本：MEMS加速度计的X和Y轴结构目前都是平面内的梳齿电容方案 ， 所以对于X和Y轴加速度计来说 ， 不用引入衬底上的平板电极 。 上述MEMS加速度计的Z轴方案则完全不同 ， 一定要有衬底上的平板电极 。 也就是 ， 为了实现Z轴加速度计的设计 ， 要多加一层平板电极 ， 增加工艺的复杂度和成本 。 （2）精度：平板电极在衬底上 ， 所以MEMS加速度计的Z轴结构的寄生电容比较大 ， 进而影响MEMS加速度计的Z轴精度；而MEMS加速度计的X和Y轴结构 ， 由于电容极板悬空 ， 寄生电容一般会比MEMS加速度计的Z轴结构小一半以上 ， 所以一般MEMS加速度计的X和Y轴精度会比Z轴高 。 （3）可靠性：MEMS加速度计的Z轴可靠性一直是一个比较棘手的问题 ， 由于下极板是MEMS加速度计的Z轴结构必需的一部分 ， 必须将质量块与下极板的间距控制在很小的尺寸内 ， 结果造成质量块很容易接触到衬底或下电极 ， 甚至粘在衬底上 ， 不能分开 ， 导致芯片完全的失效 。
家族战队|MEMS加速度计可靠性值得关注，Z轴粘连问题何解？举例：悬臂梁粘连失效问题 ， 以及制作凸点阻止该问题发生
（4）芯片面积：MEMS加速度计的Z轴使用平板电容结构 ， 会占用比较大的面积 ， 一般在三轴MEMS加速度计中 ， 加速度计Z轴结构占用的面积在40％以上 。
为了解决上述MEMS加速度计中存在的Z轴问题 ， 多家MEMS厂商探索了新的Z轴结构或方案 ， 下文给出歌尔股份和美新半导体的专利 ， 供大家参考 。
歌尔股份发明专利：《一种加速度计中的Z轴结构》
一种MEMS加速度计中的Z轴结构 ， 包括相对于衬底（4）在Z轴方向上来回移动的质量块（1） ， 所述质量块（1）的侧壁上设置有第一可动电极极片（10）、第二可动电极极片（11）；还分别设有朝由X轴、Y轴组成的平面方向伸出的第一固定电极极片（20）、第二固定电极极片（30） 。 Z轴加速度计 ， 摒弃了下极板结构 ， 从而摆脱了下极板对Z轴加速度计的限制 ， 使质量块（1）的运动模式不再是跷跷板式的运动 ， 而是在Z轴方向上、下平动 ， 减小了MEMS加速度计的Z轴寄生电容 ， 提高了检测的精度；避免可动质量块（1）与衬底（4）的接触 ， 提高了芯片的可靠性；由于质量块（1）和固定电极在同一层上 ， 首先可以达到比传统Z轴结构更好的一致性 ， 而且可以将锚点设计的更为集中 ， 降低芯片对温度和应力变化的敏感度 。


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