高精度MEMS陀螺仪深度之一：原理、工艺与产业链

MEMS陀螺仪利用科里奥利力去测量角速度，用MEMS工艺实现，一般采用梳齿电容静电驱动质量块振动，角速度带来质量块另外一个方向的位移，用电容检测该位移从而计算出角速度。MEMS陀螺仪基本都是谐振式陀螺仪，主要部件有支撑框架、谐振质量块及激励和测量单元，工作模态分为驱动模态与检测模态，两种模态的工作状态、稳定控制及后续信号处理都需要通过外围电路来实现，静电驱动是目前大部分MEMS陀螺仪采用的驱动方法，检测方式包括电磁检测、电容检测、压电检测和压阻检测等。 零偏稳定性是衡量陀螺仪性能的主要核心指标，用来衡量陀螺仪在一个工作周期内，当输入角速率为零时，陀螺仪输出值围绕其均值的离散程度，数值越小表示性能越高。按照该指标不同，陀螺仪又分为消费级、战术级、导航级、战略级，当前MEMS陀螺仪可以达到导航级的精度水平。MEMS陀螺仪因其体积小、重量轻、功耗低、成本低等诸多优点，在消费电子领域已经获得了广泛应用，随着技术进步，高精度MEMS陀螺仪在工业、商用航空航天、商用船舶导航以及武器装备领域的渗透率存在较大提升空间。 由于MEMS传感器中复杂的极微小型机械系统的存在，MEMS传感器的芯片设计和工艺研发必须紧密配合。一方面，制造端已有的工艺路线在很大程度上决定了芯片的设计路线；另一方面，芯片的设计路线又需要对制造端的工艺模块进行重组和调试。因此，MEMS传感器的研发企业必须同时进行芯片和工艺端的研发。在MEMS陀螺仪工艺路线上，SOI结构渐渐成为加工MEMS器件的主要技术，ASIC一般采用CMOS工艺；MEMS器件一般采用晶圆级封装，CMOS、MEMS等器件集成封装正在向3D集成技术发展，用较短的垂直互连取代很长的二维互连，从而减低了系统寄生效应和功耗，并达到体积最小化和优良电性能的高密度互连目的。 国内MEMS陀螺仪相关厂商包括芯动联科、美泰科技、深迪半导体、矽睿科技等。其中，芯动联科主要做高性能产品，典型产品33系列陀螺仪的零偏稳定性为0.1°/h，相较于其他厂商，该指标领先1-2个数量级。 风险提示：MEMS陀螺仪性能提升速度趋缓、MEMS陀螺仪行业竞争加剧、存在其他新技术替代MEMS陀螺仪等。 1MEMS陀螺仪工作原理 1.1用科里奥利力测量角速度 科里奥利力（Coriolis force）是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述，科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性，是在转动的坐标系里为了解释运动物体由于坐标转动发生偏转的现象而引入的一种虚构的力。 MEMS陀螺仪通过科里奥利力来测量角速度，ADI官网介绍了MEMS陀螺仪的工作原理：设在以角速度𝜔沿逆时针方向转动的水平圆盘上，有AB两点，O为圆盘中心，且有OA>OB，在A点以相对于圆盘的速度V沿半径方向向B点抛出一球。如果圆盘是静止的，则经过一段时间∆t= (OA-OB）/ V后，球会到达B，但结果是球到达了B转动的前方一点𝐵，对这𠆤现象可如下分析，由于圆盘在转动，故球离开A时，除了具有径向速度𝑉外，还具有切向速度𝑉，而B的切向速度为𝑉，由于B的位置靠近圆心，所以𝑉＞𝑉，在垂直于AB的方向上，球运动得比B远些。这是在盘外不转动的惯性系观察到的情形。 ′ ′ 𝐴 𝐵 𝐴 𝐵 图表1：科里奥利力原理 科里奥利力公式推导如下： 以转动系为参考系，球从A到B'的时间是 ′ ∆𝑡=(𝑂𝐴−𝑂𝐵)/𝑉′ 在∆t时间内，球偏离AB的距离 ∗′ BB'=(𝑉−𝑉)∆𝑡 𝐴 𝐵 ∗ ∗ =𝜔(𝑂𝐴−𝑂𝐵))∆𝑡′ ∗′∗ =𝜔𝑉∆𝑡′^2 ′ 在∆𝑡很小的情况下，可以认为沿BB'的运动是匀加速运动而初速为0，则 ∗′∗ BB'=1/2𝑎∆𝑡′^2 与上一结果比较可得： ′ ∗∗ 𝑎=2𝜔𝑉′ ′ ′ ′ 其中∆𝑡、𝑉是已知的，通过测量𝐵𝐵就可以计算出角速度𝜔。 1.2用MEMS实现：静电驱动、电容检测 MEMS陀螺仪基本都是谐振式陀螺仪，主要部件有支撑框架、谐振质量块及激励和测量单元。MEMS陀螺主要有线振动型陀螺和谐振环型陀螺，前者工艺简单，利于大批量、低成本生产；后者具有更高的理论精度但结构及原理更为复杂。 MEMS陀螺仪的工作模态分为驱动模态与检测模态，两种模态的工作状态、稳定控制及后续信号处理都需要通过外围电路来实现，静电驱动是目前大部分MEMS陀螺仪采用的驱动方法，静电驱动的基本原理是平板电容器，主要有两种驱动方式：一是通过平行电容极板间距变化来产生驱动静电力；二是通过平行电容极板正对面积变化来产生驱动静电力。根据陀螺仪的不同结构类型，目前MEMS陀螺仪有多种检测方式，例如电磁检测、电容检测、压电检测和压阻检测等。 图表2：典型MEMS陀螺仪结构 2高精度与消费级MEMS陀螺仪的主要区别 零偏稳定性是衡量陀螺仪性能的主要核心指标，用来衡量陀螺仪在一个工作周期内，当输入角速率为零时，陀螺仪输出值围绕其均值的离散程度，数值越小表示性能越高。按照该指标不同，陀螺仪又分为消费级、战术级、导航级、战略级，当前MEMS陀螺仪可以达到导航级的精度水平。 图表3：各类别陀螺仪的主要应用领域、主要技术、代表厂商 2.1高精度MEMS陀螺仪的四大应用领域 MEMS陀螺仪因其体积小、重量轻、功耗低、成本低等诸多优点，在消费电子领域已经获得了广泛应用，随着技术进步，高精度MEMS陀螺仪在工业、商用航空航天、商用船舶导航以及武器装备领域的渗透率存在较大提升空间。 图表4：高性能MEMS惯性传感器的四大应用领域 当前，MEMS陀螺仪产品已进入零偏稳定性0.1°/h量级，随着微加工技术的进一步成熟，MEMS陀螺仪和加速度计将占据中低精度惯性仪表的主要市场。 图表5：陀螺技术应用现状 图表6：陀螺技术应用远景 2.2不同精度MEMS陀螺仪的结构差异 对于单质量块陀螺，外界振动产生的输出不能与科里奥利力引起的响应区分开来；对于双质量块音叉式微陀螺，通过左右质量块作反相运动能够消除共模振动。为了进一步提高其精度,可以提高质量块质量、降低共振频率或者增加品质因数。 图表7：单质量块陀螺仪示意图 图表8：双质量块陀螺仪示意图 消费级MEMS陀螺大多采用传统的音叉结构，无法满足高精度、特殊环境下的应用需求。军用高端MEMS陀螺技术路线和商用MEMS陀螺技术路线完全不同，军用高端MEMS陀螺技术路线基本都是采用环境适应性好的全对称结构。 MEMS芯片设计结构从传统双质量块方案向四质量块结构、多环结构等新型对称结构发展。MEMS陀螺仪相关研究单位有美国DARPA、Draper实验室、霍尼韦尔公司、大西洋惯性系统公司、InvenSense公司、波音公司、斯坦福大学、密歇根大学、加州大学、HRL实验室等，英国BAE系统公司，挪威Sensonor公司，日本东北大学、东芝公司等。在美国DARPANGIMG项目支持下，多环碟形陀螺最高精度达0.003°/h。当前，MEMS陀螺仪正逐渐取代低端应用领域光纤陀螺，但取代那些精度要求高的应用仍需要时间。 图表9：MEMS惯性器件的发展 MEMS陀螺仪的性能及技术水平是高性能MEMS惯性传感器行业技术水平的集中体现，技术水平先进的国内外企业在MEMS结构设计、MEMS工艺、ASIC设计方面均具备较强实力。 图表10：国内外相关企业先进MEMS陀螺仪结构及零偏稳定性 3MEMS与ASIC制备、封装工艺与测试 由于MEMS传感器中复杂的极微小型机械系统的存在，MEMS传感器的芯片设计和工艺研发必须紧密配合。一方面，制造端已有的工艺路线在很大程度上决定了芯片的设计路线；另一方面，芯片的设计路线又需要对制造端的工艺模块进行重组和调试。因此，MEMS传感器的研发企业必须同时进行芯片和工艺端的研发。 MEMS Fabless经营模式与大规模集成电路的Fabless经营模式存在一定的不同，主要体现为大规模集成电路的制造采用CMOS标准工艺，第三方制造企业工艺积累相对成熟；MEMS Fabless企业工艺一般要经过MEMS工艺导入、工艺优化与调整、设计路线调整以及批量生产阶段。 3.1M EMS工艺 硅基MEMS加工技术主要包括体硅MEMS加工技术和表面MEMS加工技术。体硅MEMS加工技术的主要特点是通过对硅衬底材料的深刻蚀可得到较大纵向尺寸可动微结构，体硅工艺包括湿法SOG（玻璃上硅）工艺、干法SOG工艺、正面体硅工艺、SOI（绝缘体上硅）工艺。表面MEMS加工技术主要通过在硅片上生长氧化硅、氮化硅、多晶硅等多层薄膜来完成MEMS器件的制作，利用表面工艺得到的可动微结构的纵向尺寸较小，但与IC工艺的兼容性更好，易与电路实现单片集成。 湿法SOG： SOG工艺是通过阳极键合技术形成牢固的硅-氧键将硅圆片与玻璃圆片粘在一起，硅作为MEMS器件的结构层，玻璃作为MEMS器件的衬底层。 结构层由浓硼层形成，对于各向异性的腐蚀液，当硼掺杂原子浓度不小于时，相对同样的单晶硅，其腐蚀速率下降5~100倍，利用各向异性腐蚀 19 /cm -3 液对高掺杂层的低腐蚀速率特性达到腐蚀停止的目的。 采用深反应离子刻蚀（DRIE）工艺在浓硼层上形成各种设计的MEMS结构，再与玻璃键合，采用自停止腐蚀去除上层多余的单晶硅，完成加工。 受扩散深度与浓度的限制，MEMS器件结构层的厚度一般小于30μm，而且由于高浓度掺杂会造成硅结构损伤带来结构应力，硅与玻璃的材料不匹配性也会带来较大结构应力，自停止硅湿法腐蚀具有较低的加工精度，另外，由于存在高温工艺也不适用于与IC的单片集成，这些是湿法SOG加工技术的缺点。但此工艺比较成熟,工艺简单，也适合一些性能要求不高的MEMS器件的加工以及批量加工，如MEMS陀螺仪、加速度计、MEMS执行器等。 图表7：湿法SOG工艺 干法SOG： 基本工艺结构类似湿法SOG工艺，同湿法SOG工艺相比，采用磨抛减薄的工艺取代了浓硼掺杂与湿法腐蚀形成MEMS芯片的结构层，省去高温长时间硼掺杂会降低对结构层的损伤，也避免了有毒或者容易带来工艺沾污的湿法腐蚀步骤，适用于陀螺仪、加速度计、光开关、衰减器。 图表11：干法SOG工艺 正面体硅： 正面体硅工艺结合了深刻蚀、浓硼掺杂与湿法腐蚀工艺。首先对N型硅片进行浓硼掺杂，浓度满足硅湿法自停止腐蚀要求，然后DRIE硅结构，刻蚀深度大于浓硼层的厚度，最后在自停止腐蚀液里进行腐蚀释放结构。 优点：在单层硅片上完成MEMS芯片的加工，省去了与玻璃片的键合，因此不存在由于材料不匹配带来的应力影响，适用于光开关、光衰减器、反射镜阵列。 缺点：存在高温掺杂工艺，不易与IC芯片集成；正面体硅采用PN结达到电极隔离目的，存在击穿电压与漏电的限制。 图表12：正面体硅工艺 体硅SOI 体硅SOI采用全硅结构，通过硅-硅键合技术将硅与硅片粘接在一起，由于是全硅结构，因此不存在由于热膨胀系数带来的应力影响，结构层厚度可达80μm，并具有较高的加工精度，易于电路单片集成。 优点：适用于更多的MEMS器件的制造,可用于制作MEMS惯性器件（包括陀螺、加速度计、振动传感器等）、MEMS光学器件（包括光开关、衰减器等）、生物MEMS、流体MEMS等多种MEMS器件，具有更广的适用性，可实现批量加工需求，是目前的主流加工工艺。 图表13：体硅SOI工艺 表面硅： 表面硅MEMS加工技术是在集成电路平面工艺基础上发展起来的一种MEMS工艺技术，它利用硅平面上不同材料的顺序淀积和选择腐蚀来形成各种微结构。 相对于体硅工艺，表面工艺由于保持了衬底的完整性，更容易与CMOS工艺兼容，但是表面工艺的缺点是不易加工高深宽比的器件结构,一般厚度小于2μm，MEMS芯片的灵敏度将受限制。因此，目前也出现了表面与体硅组合的加工技术,适应一些器件的特殊需求，例如采用表面与体硅组合技术制作的MEMS热对流传感器