MEMS传感器--高灵敏度的双层ScAlN压电MEMS加速度计（上海大学）_新闻中心

MEMS传感器--高灵敏度的双层ScAlN压电MEMS加速度计（上海大学）

2026/03/02

摘要

本研究提出了一种基于双层结构的悬臂梁压电微电机电系统（MEMS）加速度计，具有紧凑的尺寸和高灵敏度。首先，建立了一个分析模型，计算双层结构的电压灵敏度，考虑了电极层的影响。理论分析和实验结果确认，双层结构在保持与单层结构相同的自然频率和电压灵敏度的同时，提供了额外的由电容引起的设计自由度。此外，提出了一种设计策略，以最大化电压灵敏度。通过优化悬臂梁的尺寸，并在最小自然频率和电容约束条件下实现串联阵列，最终获得了自然频率为1.1 kHz，300 Hz时灵敏度为12.94 mV g−1的器件。该器件的面积归一化灵敏度（10.69 mV g−1 mm−2）显著超过了基于单层结构的文献中报告的可比结果。研究表明，双层结构在压电MEMS加速度计设计中具有显著的潜力，为空间受限和低频振动监测应用提供了一种高性能解决方案。

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文章名：High-sensitivity ScAlN piezoelectric MEMS accelerometer via bimorph structure design

作者：Zongxian Wang

单位：School of Microelectronics, Shanghai University, Shanghai 200444, People’s Republic of China

1.引言

加速度计是测量物体加速度的传感器。作为惯性导航和制导系统中的关键惯性传感组件，它也是工业设备和航空航天器械中机械故障检测和安全监控的主要传感器【1】。这些设备广泛应用于汽车、航空航天、消费电子产品、工业自动化和结构健康监测等领域【2, 3】。随着微机电系统（MEMS）技术的出现，MEMS加速度计技术得到了迅速发展。近年来，基于MEMS的加速度计技术的研究和商业化已成为关键的发展方向。与传统的大型加速度计相比，MEMS加速度计具有小尺寸、轻重量、低功耗、低成本、高可靠性和易集成等优点，使其成为最成熟且应用广泛的MEMS设备之一。

标准的MEMS加速度计根据检测原理可分为电容式、压阻式、压电式和共振式等类型，其中电容式和压阻式技术相对成熟。电容式MEMS加速度计易受到电磁干扰，并且在大位移下会表现出显著的非线性效应，限制了其线性动态范围【4–7】。压阻式MEMS加速度计具有较高的温度灵敏度、低灵敏度以及显著的蠕变和滞后效应，这使得它们不适合用于需要高加速度检测灵敏度和精度的应用【8–11】。

与电容式和压阻式MEMS加速度计相比，压电MEMS加速度计的研究起步相对较晚。压电MEMS加速度计结合了电容式和压阻式加速度计的多个优点，包括宽操作带宽和高温稳定性。此外，这些设备不需要额外的电驱动，通常导致更低的功耗。然而，由于压电材料固有的直流泄漏电流效应，这些MEMS加速度计在具有关键低频噪声性能要求的应用中面临挑战。因此，提升信噪比（SNR）并增强压电MEMS加速度计的低频噪声性能成为了一个重要的研究方向。

近年来，全球研究人员已开始通过材料和结构优化压电MEMS加速度计的性能。常见的压电材料包括铅锆钛酸盐（PZT）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、氧化锌（ZnO）和氮化铝（AlN）【12】。PZT是最广泛使用的传统压电材料，但其含有有毒的铅【13】。ZnO由于锌的快速扩散特性，容易引起污染【14】。PVDF具有较高的柔性，适用于柔性传感器和可穿戴设备；然而，像PZT和ZnO一样，它与CMOS工艺不兼容【15】。与ZnO和PZT相比，AlN薄膜表现出优越的化学和热稳定性。其低介电损耗和优良的CMOS工艺兼容性使得AlN成为MEMS传感器应用的理想材料选择【16】。其主要缺点是相对较低的压电系数，限制了设备的灵敏度。通过适当比例的钪（Sc）掺杂AlN薄膜，可以显著增强d31和d33压电系数。研究表明，掺有20%钪的AlN与未掺杂的AlN相比，d31系数增加了131.5%【17, 18】。d33和d31分别表示纵向和横向的压电电荷系数（单位：pC/N），它们量化了在沿材料极化轴的相同方向（d33）和正交方向（d31）施加的单位应力下产生的电荷。

压电MEMS加速度计的结构主要分为悬臂梁型和隔膜型。胡等人报告了一种梯形悬臂加速度计，在两端引入角度以形成两个应力集中区域，从而提高灵敏度【19】。石等人报告了一种L形悬臂加速度计，其中L形支撑梁增加了压电材料的覆盖面积，增强了能量传递效率【20】。然而，这两种优化方法都牺牲了一些自然频率以获得更高的灵敏度。隔膜结构通常用于高频应用【21】。除了标准的圆形隔膜，李等人引入了一种方形隔膜压电加速度计，基于简单对称结构由于外部振动不易产生局部异常力矩的设计概念，从而帮助提高自然频率、抗冲击性和线性【22】。这些结构优化都是基于单层结构的。将双层结构引入压电MEMS加速度计设计并与单层结构进行比较的研究尚未被探索。

本研究包括两个主要部分。第一部分涉及一个控制实验，证明双层结构在保持与单层结构相同的自然频率和电压灵敏度的同时，提供了额外的由电容引起的设计自由度。由电容引起的设计自由度指的是双层结构相较于单层结构，在相同占地面积和灵敏度下提供的约两倍的电容。这额外的电容可以策略性地用于提高电压输出，如通过串联更多的悬臂梁，而不低于实际接口电路所需的最小电容。第二部分涉及设备设计、制造和测试，以验证额外的自由度如何提高目标性能。具体工作如下：首先，推导出双层悬臂MEMS加速度计灵敏度的分析公式，并总结出最大化电压灵敏度的设计策略。随后，使用COMSOL软件进行模拟并确定最佳设计参数。接着，采用MEMS工艺制造加速度计。最后，测试设备性能并讨论结果。需要明确的是，本研究的范围：该研究作为ScAlN双层结构在MEMS加速度计中的基础性研究和实验验证。主要贡献在于理论建模、由电容引起的设计自由度的控制实验验证，以及灵敏度最大化策略的演示。因此，产品化和相关工程问题的考虑超出了这项基础性研究的范围。

2.结构设计与仿真
2.1. 结构设计

图1(a)和(b)展示了MEMS压电加速度计结构的示意图。该单轴加速度计采用悬臂梁设计。悬臂梁由五个功能层组成（从下到上堆叠为第1层到第5层）：三层钼（Mo）层夹在两层ScAlN压电层之间。这两层压电层在相同方向上极化，并且通过并联连接以便读取信号。在自由端附近，额外的铝（Al）层被沉积作为质量块（不包括在五层编号中）。质量块的厚度表示为t0，第1层和第5层（顶部和底部）Mo电极层的厚度表示为te，中间Mo电极层的厚度表示为ts，每层压电层的厚度为tp，悬臂梁的宽度为b。为了方便后续计算，每个层的累计厚度分别表示为A、B、C、D1和D2。悬臂梁被Al覆盖层的边缘分为两部分：一部分靠近固定端，另一部分靠近自由端。悬臂梁的总长度表示为L，质量块的长度表示为Ls。在靠近固定端的感应区域，第1层和第5层Mo并联作为正电极输出，而第3层Mo作为负电极连接到地面。

图1.
(a) 单轴加速度计的三维示意图（不按比例）。
(b) 与梁长度（x轴）垂直的横截面视图。
(c) 分布重力载荷和由此产生的悬臂梁弯矩的分析模型示意图。

2.2. 理论分析

根据信噪比（SNR）的定义：

信噪比（SNR）可以通过降低噪声功率Pn和增加信号功率Ps来提高。放大器电路的噪声通常超过压电加速度计的固有噪声。在如工业监测等应用中，环境噪声主导了系统噪声，在这种情况下，提高电压灵敏度是增强SNR的更有效方法【23, 24】。

Abhijeet等人推导了常规宏观压电传感器中诱导应变和电压的解析表达式，量化了双层结构中每个压电层的诱导电压【25】。该研究忽略了电极，以简化模型。在MEMS中，双层悬臂梁通常没有厚的结构层，电极的厚度显著影响悬臂梁的复合刚度。忽略电极会降低解析模型的准确性。在本研究中，三层电极的总厚度占悬臂梁总厚度的23%。因此，本研究将常规压电传感器的解析公式进行调整，以推导一个考虑电极效应的双层压电MEMS加速度计的灵敏度分析模型。所提出的分析模型基于以下关键假设：（1）适用小偏转理论，确保线性弹性行为；（2）在双层结构配置中，复合梁相对于其中性轴是对称的；（3）压电层是完美极化的，电极是理想导体。这些假设简化了模型，同时在设计过程中保持足够的准确性。

首先，悬臂梁中性轴的位置hNA通过加权平均法确定：

其中，µi1 = Yi/Y1 表示第i层的杨氏模量与第一层杨氏模量的比值【26】。这种方法通过确定中性轴位置来增强模型的普适性，使其同样适用于单层结构和非对称双层结构。根据压电本构关系中的力学方程以及弯矩与截面上的法向应力之间的关系【27】：

复合截面的总曲率 κT 可以通过以下公式推导得到【28】：

其中，σi 是第i层沿x方向的法向应力，ϵ 是沿x方向的应变，d31 是压电系数，Ei 是第i层沿z方向的电场强度，h 是每层到中性平面的距离，M 是弯矩，Ai 是第i层的截面面积。等效弯曲刚度 (EI)c 为：

其中，Ii 是第i层的惯性矩。单位电场矩 iMe 为：

其中，Qi 是第i层的静态矩。根据直接压电效应【27】：

假设诱导的电场 E 是由压电层中平均弯曲应变产生的：

开路电场 Eo(t) 可推导为：

其中，h̄i 表示第i层到中性平面的平均距离。将常数应变介电常数 ε33 用常数应力介电常数 εσ33 和机电耦合系数 k31 表示【29】：

其中，单个压电层的机电耦合系数 k31 定义为：

多个压电层的等效机电耦合系数 ¯k31 给定为：

结合（8）和（13），可以得到两个压电层并联连接时的开路电场 Eo(t) 和开路电压 Vo(t)：

考虑到机电耦合效应对复合结构的等效弯曲刚度和总曲率的影响，引入了虚拟附加刚度 (EI)em 和两个修正因子 ψ1 和 ψ2：

如图1(c)所示，梁被分为两段：一段覆盖有质量块，另一段没有。作用在质量块上的外部加速度 a 产生惯性力。覆盖质量块的段的均匀载荷 q1 为【30】：

而未覆盖部分（电极区域）的均匀载荷 q2 为：

其中，ρi 是每层材料的密度。根据弯矩的叠加原理，电极覆盖区域的平均弯矩 Mavg 可推导为：

最终，电压灵敏度 vT 的表达式为：

该设备在上海工业µ技术研究院制造。通过优化其8英寸生产线的过程窗口，定义了每层材料的厚度以及背面腔体面积为1.1 mm × 1.1 mm。因此，设计了两种不同的纵横比，使用悬臂梁长度 L、宽度 b 和质量块覆盖长度 Ls 作为变量。

第一个纵横比采用保守的尺寸，以追求更高的设备良品率和更宽的操作频率范围，用于双层结构与单层结构对照实验。在此纵横比下，制造了相同的结构：一个将顶部和底部压电层并联连接输出（标记为A型，双层实验组），另一个只有顶部压电层连接输出（标记为B型，单层对照组），如图2(a)和(b)所示。由于机械结构相同且压电层在中性轴上的对称分布，串联连接的双层结构和单层结构应具有相同的自然频率和电压灵敏度。然而，双层结构的电容是单层结构的两倍。

第二个纵横比旨在最大化电压灵敏度 vT，标记为C型，如图2(c)所示。最大化电压灵敏度的边界条件包括操作频率范围、设备尺寸和设备电容 CPE。考虑到自然频率 f、电容 CPE 和电压灵敏度 vT 之间的权衡，本研究提出了一种设计策略，通过积极推动 f 和 CPE 向各自的最小可接受值（即满足系统要求的下限）逼近，从而释放设计自由度以最大化 vT。引入了一个关键设计原则：在固定背腔尺寸约束下，最大化面积利用率（设备结构的投影面积与背腔总面积的比率）是优化性能权衡并最终实现更高 vT 的基础。

图2.(a) A型：双层结构的电气接线图，其中顶部和底部的ScAlN并联连接，以实现双倍电容，同时保持相同的开路电压。
(b) B型：单层结构的接线图，仅使用顶部的ScAlN进行电荷收集，作为对照组进行比较研究。
(c) C型：C型设计的示意图，特点是多个双层悬臂梁串联连接。

所提出的设计策略首先根据目标应用场景确定边界条件。例如，典型的低频应用，如结构健康监测通常工作在0.1–100 Hz范围内，语音加速度计覆盖200 Hz–1 kHz，而工业旋转机械故障检测要求设备的上限工作频率至少覆盖300 Hz。为了演示这一策略，选择工业故障监测作为代表性案例。为了确保工作带宽覆盖到300 Hz，并考虑到三分之一自然频率规则以及工艺裕量要求，设计的自然频率下限设置为1.3 kHz。

关于电容，虽然CPE和vT之间存在负相关关系，但提高vT是改善SNR的更重要途径。我们可以通过调整设备纵横比和将多个悬臂梁串联连接来减少CPE，从而增加vT。此外，双层结构相对于单层结构固有的电容翻倍提供了额外的由电容引起的设计自由度。然而，串联单元的数量受到背腔面积的限制。此外，当CPE过小时，设备的输出电容性反应增加显著，导致传感器与电路接口处的波阻抗不连续，从而引发信号反射和衰减。考虑到目标频带、接口电路输入阻抗和工艺裕量要求，电容设计的下限设置为1.7 pF。

综合所有边界条件的约束，最终最大化电压灵敏度的设计使用了8个串联连接的悬臂梁。确定这一设计的步骤将在下一节详细介绍。表1中给出了A型、B型和C型的尺寸及相关材料特性，其中C型的尺寸为单个悬臂梁的尺寸。

2.3. 有限元仿真

使用COMSOL Multiphysics 6.1软件对加速度计进行了有限元仿真。该模型包括Mo电极层。三维布局如图3(a)所示。

第一个纵横比结构的第一个振动模式如图3(b)所示，对应的自然频率为1990 Hz。频率响应曲线如图3(c)所示，双层结构和单层结构的曲线完全重叠。仿真得到的电容为8.48 pF（单层结构）和16.96 pF（双层结构），与理论预测一致。

表1. 设计的加速度计的几何尺寸和材料特性.

图3.
(a) 包含所有电极层的COMSOL 3D固体模型。
(b) 第一模振动形状，自然频率为1990 Hz。
(c) 仿真频率响应（10 Hz至2.5 kHz），显示双层结构和单层结构的曲线重叠。

图4.
(a) 不同 Ls 值下模拟的自然频率与 L 的关系。
(b) 相应的模拟电压灵敏度与 L 的关系，显示了灵敏度和带宽之间的权衡。

确定第二个纵横比相关参数的步骤如下。公式（21）表明，矩形悬臂梁的宽度 b 不影响电压灵敏度 vT。关于自然频率，尽管在顶部表面沉积了铝（Al）质量块，但该结构仍可以近似为由自身重量驱动的无质量悬臂梁，遵循经典欧拉-伯努利梁模型的普遍结论：矩形悬臂梁的自然频率与其宽度 b 无关。因此，在预设每层厚度的情况下，总悬臂梁长度 L 和质量块覆盖长度 Ls 成为影响自然频率和电压灵敏度的唯一两个变量。

图4(a)和(b)展示了不同 Ls 值下总长度 L 对自然频率和电压灵敏度的影响。随着 L 的增加，自然频率减小，电压灵敏度增加。根据最大化面积利用率的原则，对于1.1 mm × 1.1 mm的背腔面积，L 设置为1085 µm，剩余15 µm用于悬臂梁释放。

图5.
(a) 自然频率随 Ls 的变化，L = 1085 µm。
(b) 电压灵敏度随 Ls 的变化，L = 1085 µm。
Ls 被确定为860 µm，对应设备的自然频率为1364 Hz。

图5(a)展示了自然频率随 Ls 的变化。仿真结果表明，自然频率随着 Ls 的增加而增大。图5(b)展示了电压灵敏度随 Ls 的变化，表明灵敏度随着 Ls 的增加而增大。考虑到图5(a)的结果和工艺裕量要求，Ls 被确定为860 µm，对应设备的自然频率为1364 Hz。

最后，确定了悬臂梁宽度 b 和串联悬臂梁阵列的布局。同样，为了最大化面积利用率，基于串联悬臂梁数量的不同方案在1.1 mm × 1.1 mm的背腔面积内进行了评估。在相邻悬臂梁之间以及最外侧悬臂梁与腔体边缘之间保持了10 µm的间隙，用于释放刻蚀。图6展示了串联连接的悬臂梁数量、整体灵敏度和总电容之间的设计权衡。虚线表示最小电容约束1.7 pF，设定此值以确保与接口电路的良好阻抗匹配。该虚线以上的区域构成了可行的设计空间。最终选择了最大化电压灵敏度的方案：8个悬臂梁串联，对应的梁宽 b 为126 µm。

图6. 灵敏度-电容权衡。整体灵敏度随着串联悬臂梁数量的增加而增加，同时总电容减少。选择了8个悬臂梁的设计方案作为最优方案，最大化了灵敏度，同时保持电容在1.7 pF的下限以上。

3.制造过程

图7展示了双层MEMS加速度计的制造工艺流程。图7(a)展示了单面抛光的晶圆。图7(b)展示了多层的沉积和刻蚀过程：底部Mo电极、下层Sc0.2Al0.8N层、中间Mo电极、上层Sc0.2Al0.8N层、顶部Mo电极和氧化层。图7(c)展示了通过等离子刻蚀和氧化沉积形成的图案化Mo电极，以实现隔离。图7(d)展示了对SiO2、Mo电极和Sc0.2Al0.8N的刻蚀，形成顶部、中间和底部电极的通孔。图7(e)展示了铝线、连接垫和质量块的制造过程。图7(f)展示了释放顶部堆叠层，以形成悬臂梁形状。图7(g)展示了从晶圆背面进行深反应离子刻蚀（DRIE）以释放悬臂梁。

制造出的设备如图8(a)和(b)所示。图8(a)中的设备包含5个独立的悬臂梁，所有三个Mo电极均可单独访问。这允许通过控制电气连接，在同一个悬臂梁上进行双层和单层配置的对照实验。图8(b)中的设备包含8个悬臂梁，每个悬臂梁的顶部和底部电极并联连接，悬臂梁串联连接以输出信号。

4.结果与讨论
4.1. 实验设置

图8所示的设备图像是使用3D激光扫描显微镜（OLYMPUS OLS500）获取的。设备电容通过阻抗分析仪（Keysight E4990A）进行测量。为了表征频率响应，构建了一个振动测试平台，如图9(a)所示。在封装方面，首先将MEMS和ASIC芯片通过粘合剂固定到PCB上。然后通过线焊接建立电气连接，最后安装金属保护盖以完成加速度计样品的制造。在频率响应测试设置中，待测设备（DUT）和参考加速度计共同安装在振动振动台（GW-V20）上。信号传输路径通过图9(a)中的箭头表示。在测试过程中，动态信号分析仪（SPIDER-805G）生成的控制信号通过功率放大器（PA300E）放大以驱动振动台。参考加速度计的反馈信号用于闭环系统控制。待测设备的输出信号首先由前置放大器NSC6260（默认增益：5.86 dB）放大，然后由SPIDER-805G及其配套系统（EDM-振动控制器）进行采样和分析。图9(b)和表2分别展示了读出电路及其关键参数。

图7. 双层MEMS加速度计的简化制造工艺流程：（a）晶圆抛光，（b）多层沉积和刻蚀，（c）电极图案化，（d）通孔刻蚀，（e）铝垫和质量块，（f）悬臂梁形状释放，以及（g）背面DRIE释放。

图8.(a) 比较测试芯片的照片，所有三个Mo电极（底部、顶部、中间）通过独立的连接垫暴露，能够在不改变机械结构的情况下在双层和单层读出模式之间进行切换。
(b) 实施提出的设计策略的高灵敏度芯片的照片：在1.1 mm × 1.1 mm的背腔区域内串联连接八个双层悬臂梁，以在电容和带宽约束下最大化电压灵敏度。

4.2. 双层结构 vs. 单层结构

图10(a)展示了第一个纵横比的测量频率响应。自然频率为1987 Hz。双层结构（A型）和单层结构（B型）的响应曲线在平坦带区域内重合。平坦带区域定义为频率响应曲线中自然频率之前的低频范围，在该范围内传感器的灵敏度保持相对稳定，并且不会随频率显著变化。图10(b)展示了300 Hz时，在从−10 g到10 g的加速度范围内的电压灵敏度拟合曲线。拟合的斜率确认双层结构和单层结构具有相同的电压灵敏度，均为1.35 mV g−1。通过阻抗分析仪测得，双层结构的电容为18.34 pF，单层结构的电容为9.42 pF。双层结构的电容是单层结构电容的1.95倍。与严格的2倍因子偏差，可能是由于寄生电容的影响。实验结果验证了理论预测：在设计的非共振工作带内，双层结构保持与单层结构相同的自然频率和电压灵敏度，同时提供更大的电容引起的设计自由度。

图9.(a) 振动和噪声表征的实验设置。
(b) 前置放大器NSC6260的应用电路。

表2. 读出ASIC NSC6260的关键参数.

a 测试条件，除非另有说明：环境温度 = 25°C，VDD = 1.8 V，输入电容 = 1 pF，输入电压 = −39.0 dBV，频率 = 1 kHz，负载电阻 = 100 kΩ。ASIC在其默认的OTP设置下运行。
b OTP（一次性可编程）指的是内部保险丝阵列，用于调节偏置电压和模拟前置放大器增益。

压电MEMS加速度计的固有噪声由两部分组成【23】。
机械热噪声 vnm，由于结构中阻尼共振振荡引起的机械阻力所产生。
电气热噪声 vne，由压电元件中的介电损耗引起（也称为损耗角或损耗正切）。电气热噪声在低频时占主导地位，其表达式为【24】：

图10.(a) 测量的频率响应（10 Hz至2.6 kHz），显示了A型（双层）和B型（单层）在平坦带区域的重叠灵敏度。
(b) 300 Hz时的电压灵敏度拟合曲线确认在平坦带区域，两种配置的灵敏度相同（1.35 mV g−1）。

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