西工大破解MOEMS加速度计检测质量提高难题
2026-08-30 15:50:15 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
西北工业大学的研究团队近期提出一种对称三层微光机电系统（MOEMS）加速度计，并分析了其器件级灵敏度权衡、交叉耦合特性以及测量结果与有限元仿真间的动态一致性。
将MEMS加速度计的性能推向亚微重力（sub-µg）水平，本质上面临着降低噪声和提高灵敏度这两大挑战。作为一种固有噪声源，机械热噪声的大小与质量块质量的3/4次方成反比，而仅与梁刚度的4次方根成反比。在给定芯片面积的情况下，这一规律使得提高检测质量块的质量成为降低本底噪声更为有效的策略。核心难点在于如何在不突破芯片尺寸、制造兼容性和机械稳定性等严格限制的前提下，大幅提高检测质量块的质量。
现有提高检测质量的技术均面临不同程度的权衡取舍。因此，仍需一种适用于MEMS加速度计的质量提高策略，同时实现低工艺应力、结构对称性以及与标准 MEMS 制造工艺的兼容性。在地球物理监测和精密导航等应用中，这一需求尤为迫切，因为这些应用对亚微重力（sub-µg）水平噪声和稳定的低漂移运行有着更高要求。
据麦姆斯咨询介绍，西北工业大学的研究团队近期提出一种对称三层微光机电系统（MOEMS）加速度计，并分析了其器件级灵敏度权衡、交叉耦合特性以及测量结果与有限元仿真间的动态一致性。结果表明，对称晶圆级堆叠为平衡MOEMS加速度计的检测质量提高、机械灵敏度、结构对称性及动态一致性提供了可行路径。相关研究成果已经以“Device-Level Modeling, Cross-Axis Analysis, and Optical Characterization of a Symmetric Triple-Layer MOEMS Accelerometer”为题发表于Micromachines期刊。
器件结构
本文所设计的MOEMS加速度计由三个垂直堆叠的硅基结构组成。敏感轴为y轴。该结构从上到下依次包括带梁上层（图1b）、无梁中层（图1c）以及与上层结构相同的带梁下层。这三层均由标准400 µm厚单晶硅晶圆制成。
图1 MOEMS加速度传感元件示意图
这种对称堆叠结构有两个作用。从机械角度来说，相较于单层设计，它提高了有效检测质量。从几何角度而言，关于中间平面的镜像对称性可在一阶近似下补偿深反应离子刻蚀（DRIE）过程中侧壁倾斜所导致的梯形横截面。在非对称设计中，这种倾斜会使有效重心偏离梁平面，并可能在平面内加速度作用下产生净扭矩。而在三层设计中，上下带梁层围绕中间质量层对称布置，可使重心重新接近中间平面的位置，同时减少与旋转相关的交叉耦合。
集总交叉耦合关系也阐明了选择对称三层设计并非仅为了提高灵敏度。非对称双层配置得益于更大的质量-刚度比，但其非零偏心率e会提高面内交叉耦合加速度下寄生旋转的风险。相比之下，三层配置通过镜像对称堆叠减小了e，在综合考量灵敏度、结构对称性和旋转交叉耦合鲁棒性时更具优势。
因此，非对称双层结构实现了质量刚度比的最大化，而对称三层结构则牺牲了部分静态灵敏度，以获得更好的镜像对称性并减少与旋转相关的交叉耦合。
上下带梁层采用镜像对称布局，包含敏感质量块、连杆、自由曲面梁、限位结构和框架。四根相同的自由曲面梁对称分布在连杆两侧，构成主要弹性悬挂系统。连杆设于质量块的上下两侧，将其与自由曲面梁相连，形成多梁支撑结构。限位结构布置在质量块左右两侧，用于限制沿非敏感x轴的位移。
图2 传感元件优化结果
无梁中间层包含质量块、连接杆、限位结构、框架和遮光杆。质量块的形状与有梁层中的形状一致。限位结构与框架一起限制质量块在y和z方向的位移，并且遮光杆处保留局部开口以允许光路内的运动。
器件制造及晶圆级堆叠
单个硅层的制造流程如图3所示。该工艺结合湿法刻蚀和DRIE来形成高深宽比的可动结构，同时保持所需的侧壁质量。图3还展示了三层结构的堆叠与装配流程，以及制备的三层传感元件的实物照片。
图3 传感元件制造工艺流程
晶圆级组装通过两套定制系统完成。自动点胶系统以亚纳升体积控制精度将胶液点入储液槽（图4）。带有精密定位销的对准与夹持夹具可同时对三片晶圆进行对准，并在固化过程中对其进行夹持。固化完成后，对键合堆叠结构进行切割与释放，得到单个传感元件。
图4 低温胶黏堆叠和对准技术
有限元表征及实验验证
有限元仿真结果表明，与非对称双层结构相比，三层结构设计改善了z轴引起的平移交叉耦合响应，并显著抑制了更关键的x轴引起的旋转交叉耦合响应。平移与旋转交叉耦合指标之间的这种分离至关重要，因为来自不同非敏感轴的加速度可能通过不同的物理路径耦合到敏感轴的输出中。
通过有限元分析，分别采用理想侧壁几何形状和实测侧壁几何形状对交叉耦合特性进行了评估。实测与仿真的敏感轴谐振频率之间的一致性为机械模型提供了独立验证。不过，要进一步实验验证所预测的交叉耦合响应抑制效果，仍需进行直接的交叉耦合校准。
图5 MOEMS加速度计测试
对封装后的三层结构器件的实验表征显示，其实现了193.91 µm/(m/s²)的机械灵敏度，以及约374的表观封装级品质因数。测得的一阶谐振频率为11.23 Hz，与考虑公差的有限元分析结果11.40 Hz高度吻合。这一结果表明，除准静态灵敏度标定之外，实测结果与仿真的一致性还为所制备器件的动态特性、结构几何形貌以及层间堆叠一致性提供了进一步验证。
总结而言，本文所提出的对称晶圆级堆叠为平衡MOEMS加速度计的检测质量提高、机械灵敏度、结构对称性及动态一致性提供了可行路径。后续工作将聚焦于直接交叉耦合校准、多器件统计分析以及闭环运行的进一步研究。
论文链接：https://doi.org/10.3390/mi17080984
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