CMOS-MEMS電容式加速度計的研發

Abstract

本論文研究重點在於以兩種開發中的CMOS製程，建立起CMOS-MEMS電容式加速規相關的設計分析、製作與量測技術；一種製程以Poly-Silicon作為感測結構材料以降低殘留應力，增加感測電容值以提升加速規靈敏度；另一種製程以金屬鎢Tungsten作為感測結構材料，期望利用其高密度的特性以減少所佔用的晶片面積，進而提升加速規的靈敏度；此兩種製程以整合微感測結構與電路、達成批次生產為目標。 結構設計上採用間隙型差動對作電容感測以減少非感測軸的耦合，並以有限元素分析軟體ANSYS®執行懸吊系統、致動器與殘留應力的模擬；性能的最佳化以限定晶片面積內，可達到最高靈敏度為原則，由感測懸臂翹曲量來取得最佳化的尺寸，使得此設計的單雙軸靈敏度分別達到1.96 fF/G與2.01 fF/G的目標；製程上Poly-MEMS利用退火製程成功地調整Poly-Silicon的殘留應力，期望改善感測懸臂的翹曲程度以增加感測電容，Metal-MEMS製程則因材料Tungsten本身薄膜應力過大與蝕刻液攻擊黏著層的關係尚無法成功實現。 量測技術上以壓電致動器、國家儀器Scope NI5122配合程控軟體LabView建立起加速規量測平台，並以加速規ADXL330驗証量測平台，量測得到ADXL330的靈敏度220mV/G、雜訊強度176.7(μG/√Hz)、量測範圍 +/- 2.35 G；靈敏度與量測範圍的量測值皆在實際產品標示誤差的18%的範圍內，雜訊強度則有37%的誤差。