基于MEMS的硅微壓阻式加速度傳感器的設計

　硅微加速度傳感器是MEMS器件中的一個重要分支，具有十分廣闊的應用前景。由于硅微加速度傳感器具有響應快、靈敏度高、精度高、易于小型化等優點，而且該種傳感器在強輻射作用下能正常工作，使其近年來發展迅速。與國外相比，國內對硅微傳感器的研究起步較晚，所做的工作主要集中在硅微加速度傳感器的加工制造和理論研究。文中以雙端固支式硅微加速度傳感器為研究對象，借助Aasys軟件對其性能進行仿真分析，從而選出性能優良的結構形式。

　　1 傳感器結構及工作原理

　　壓阻式加速度傳感器是最早開發的硅微加速度傳感器，彈性元件的結構形式一般均采用微機械加工技術形成硅梁外加質量塊的形式，利用壓阻效應來檢測加速度。在雙端固支梁結構中，質量塊像活塞一樣上下運動，該結構形式的傳感器示意圖，如圖1所示。

　　2 壓阻式加速度傳感器

　　壓阻式加速度傳感器是最早開發的硅微型加速度傳感器，也是當前使用較多的一種。20世紀80年代初，美國斯坦福大學的Roylance和Angell發表了第一篇介紹硅微型加速度傳感器的文章后，全硅傳感器開始問世。隨著對硅微型加速度計原理研究的深入以及工藝實現的多樣性，硅微型加速度傳感器的種類日益繁多，各種應用于不同場合下的硅微型加速度計層出不窮，對硅微型加速度計的研究也越來越受到人們的重視。

　　壓阻式加速度傳感器體積小、頻率范圍寬、測量加速度的范圍寬，直接輸出電壓信號，不需要復雜的電路接口，大批量生產時價格低廉，可重復生產性好，可直接測量連續的加速度和穩態加速度，但對溫度的漂移較大，對安裝和其它應力也較敏感，它不具備某些低gn值測量時所需的準確度。

　　3 壓阻式硅微加速度傳感器結構形式

　　3．1 結構形式

　　壓阻式加速度傳感器的彈性元件一般采用硅梁外加質量塊，質量塊由懸臂梁支撐，并在懸臂梁上制作電阻，連接成測量電橋。在慣性力作用下質量塊上下運動，懸臂梁上電阻的阻值隨應力的作用而發生變化，引起測量電橋輸出電壓變化，以此實現對加速度的測量。

　　壓阻式硅微加速度傳感器的典型結構形式有很多種，已有懸臂梁、雙臂梁、4梁和雙島-5梁等結構形式。彈性元件的結構形式及尺寸決定傳感器的靈敏度、頻響、量程等。質量塊能夠在較小的加速度作用下，使得懸臂梁上的應力較大，提高傳感器的輸出靈敏度。在大加速度下，質量塊的作用可能會使懸臂梁上的應力超過屈服應力，變形過大，致使懸臂梁斷裂。為此高gn值加速度擬采用質量塊和梁厚相等的單臂梁和雙臂梁的結構形式，如圖2和圖3所示。

　　3．2 梁結構的有限元模型

　　Aasys是一個可在微機上使用的綜合性有限元軟件，是微機電系統設計中廣泛使用的有限元分析軟件。通過有限元的分析計算可以預測懸臂梁上引力分布、固有頻率、可測最大加速度等，進而指導梁結構參數的選取。經過對梁結構有限元的計算分析選取單臂梁、雙臂梁結構參數，如表1所示。

　　由有限元計算結果，可以得到單臂梁和雙臂梁上在10 000gn加速度作用下壓阻元件所受的平均應力，如表2所示。

　　4 壓阻式硅微型加速度傳感器加工工藝

　　壓阻式傳感器的懸臂梁常采用CVD工藝在硅片上外延生長一層外延層刻蝕而成，文中試用鍵合工藝制造壓阻式加速度傳感器。采用鍵合工藝優點是能得到高質量的外延層，且懸臂梁的厚度通過硅片減薄工藝易于得到保證，精細的硅片單面研磨，厚度誤差可以控制在0．5 μm以內；且不需要電化學自停止腐蝕，依靠EPW腐蝕液對SiO2的腐蝕速度極慢，使得腐蝕過程停止在SiO2層上，從而保證了硅片減薄后的厚度即為彈性梁的厚度。制作的傳感器芯片尺寸3 mm×5 mm，封裝在陶瓷管殼中。選n型硅片，晶向(100)，直徑為50mm，厚度為300μm，電阻率為5～12 Ω·cm。傳感器芯片加工工藝流程，如圖4所示。

　　5 加速度傳感器性能測試與結果分析

　　5．1 沖擊試驗

　　高gn值硅微型加速度計的靈敏度很低，在小加速度下幾乎沒有信號輸出，只有進行沖擊試驗，才能檢驗其性能。為此，常溫下沖擊試驗在馬希特擊錘上進行。

　　將標準傳感器和被標定傳感器同時固定在馬希特擊錘的錘頭上，分別對單臂梁和雙臂梁結構的加速度傳感器樣品在不同的齒數下進行沖擊試驗。過載試驗可達到12 000 gn而不失效，加速度傳感器沖擊測試范圍到2 500 gn。

　　5．2 測試結果分析

　　通過對被測試加速度傳感器輸出電壓與加速度之間關系的分析，其基本屬于線性關系，采用一元線性回歸模型對被測試傳感器數據進行直線擬合，其結果，如圖5所示。

　　對于懸臂梁結構的硅微型加速度傳感器，在其它結構尺寸相同的情況下，梁的厚度對加速度傳感器的靈敏度影響最大，基本上是反比的關系。這是由于在同樣的載荷下，梁厚與應力大小成反比，而應力大小直接影響靈敏度，應力越大靈敏度越高。由于加工出芯片梁的厚度比設計值偏差較大，故其測試靈敏度比設計值小，如表3所示。

　　在質量塊尺寸一定的情況下，梁的長度與靈敏度成正比，梁的寬度與靈敏度成反比。在梁的尺寸一定情況下，質量塊的質量與靈敏度成正比。

　　6 結束語

　　對制作的加速度傳感器樣品，在馬希特擊錘上進行了大量地沖擊標定測試，測試結果表明：設計和加工制作的加速度計樣品在進行加速度的沖擊時，有較好的信號輸出，單臂梁結構的加速度計的靈敏度為1 μV／gn；雙臂梁結構的加速度計的靈敏度為1．6μV／gn，與理論設計值基本吻合。