基于MEMS的硅微壓阻式加速度傳感器的設(shè)計(jì)

　硅微加速度傳感器是MEMS器件中的一個(gè)重要分支，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。由于硅微加速度傳感器具有響應(yīng)快、靈敏度高、精度高、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，而且該種傳感器在強(qiáng)輻射作用下能正常工作，使其近年來發(fā)展迅速。與國外相比，國內(nèi)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(jìn)行仿真分析，從而選出性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式。

　　1 傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

　　壓阻式加速度傳感器是最早開發(fā)的硅微加速度傳感器，彈性元件的結(jié)構(gòu)形式一般均采用微機(jī)械加工技術(shù)形成硅梁外加質(zhì)量塊的形式，利用壓阻效應(yīng)來檢測加速度。在雙端固支梁結(jié)構(gòu)中，質(zhì)量塊像活塞一樣上下運(yùn)動(dòng)，該結(jié)構(gòu)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(fā)的硅微型加速度傳感器，也是當(dāng)前使用較多的一種。20世紀(jì)80年代初，美國斯坦福大學(xué)的Roylance和Angell發(fā)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(jì)原理研究的深入以及工藝實(shí)現(xiàn)的多樣性，硅微型加速度傳感器的種類日益繁多，各種應(yīng)用于不同場合下的硅微型加速度計(jì)層出不窮，對硅微型加速度計(jì)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(fù)雜的電路接口，大批量生產(chǎn)時(shí)價(jià)格低廉，可重復(fù)生產(chǎn)性好，可直接測量連續(xù)的加速度和穩(wěn)態(tài)加速度，但對溫度的漂移較大，對安裝和其它應(yīng)力也較敏感，它不具備某些低gn值測量時(shí)所需的準(zhǔn)確度。

　　3 壓阻式硅微加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式

　　3．1 結(jié)構(gòu)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(zhì)量塊，質(zhì)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(zhì)量塊上下運(yùn)動(dòng)，懸臂梁上電阻的阻值隨應(yīng)力的作用而發(fā)生變化，引起測量電橋輸出電壓變化，以此實(shí)現(xiàn)對加速度的測量。

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

　　3．2 梁結(jié)構(gòu)的有限元模型

　　Aasys是一個(gè)可在微機(jī)上使用的綜合性有限元軟件，是微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中廣泛使用的有限元分析軟件。通過有限元的分析計(jì)算可以預(yù)測懸臂梁上引力分布、固有頻率、可測最大加速度等，進(jìn)而指導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取。經(jīng)過對梁結(jié)構(gòu)有限元的計(jì)算分析選取單臂梁、雙臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

　　由有限元計(jì)算結(jié)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(yīng)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(yōu)點(diǎn)是能得到高質(zhì)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(xì)的硅片單面研磨，厚度誤差可以控制在0．5 μm以內(nèi)；且不需要電化學(xué)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(jié)果分析

　　5．1 沖擊試驗(yàn)

　　高gn值硅微型加速度計(jì)的靈敏度很低，在小加速度下幾乎沒有信號輸出，只有進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，才能檢驗(yàn)其性能。為此，常溫下沖擊試驗(yàn)在馬希特?fù)翦N上進(jìn)行。

　　將標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被標(biāo)定傳感器同時(shí)固定在馬希特?fù)翦N的錘頭上，分別對單臂梁和雙臂梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器樣品在不同的齒數(shù)下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。過載試驗(yàn)可達(dá)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(jié)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(guān)系的分析，其基本屬于線性關(guān)系，采用一元線性回歸模型對被測試傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，其結(jié)果，如圖5所示。

　　對于懸臂梁結(jié)構(gòu)的硅微型加速度傳感器，在其它結(jié)構(gòu)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(guān)系。這是由于在同樣的載荷下，梁厚與應(yīng)力大小成反比，而應(yīng)力大小直接影響靈敏度，應(yīng)力越大靈敏度越高。由于加工出芯片梁的厚度比設(shè)計(jì)值偏差較大，故其測試靈敏度比設(shè)計(jì)值小，如表3所示。

　　在質(zhì)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(zhì)量塊的質(zhì)量與靈敏度成正比。

　　6 結(jié)束語

　　對制作的加速度傳感器樣品，在馬希特?fù)翦N上進(jìn)行了大量地沖擊標(biāo)定測試，測試結(jié)果表明：設(shè)計(jì)和加工制作的加速度計(jì)樣品在進(jìn)行加速度的沖擊時(shí)，有較好的信號輸出，單臂梁結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)的靈敏度為1 μV／gn；雙臂梁結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)的靈敏度為1．6μV／gn，與理論設(shè)計(jì)值基本吻合。