基于MEMS的硅微压阻式加速度传感器的设计

基于MEMS的硅微压阻式加速度传感器的设计

　硅微加速度传感器是MEMS器件中的一个重要分支，具有十分广阔的应用前景。由于硅微加速度传感器具有响应快、灵敏度高、精度高、易于小型化等优点，而且该种传感器在强辐射作用下能正常工作，使其近年来发展迅速。与国外相比，国内对硅微传感器的研究起步较晚，所做的工作主要集中在硅微加速度传感器的加工制造和理论研究。文中以双端固支式硅微加速度传感器为研究对象，借助Aasys软件对其性能进行仿真分析，从而选出性能优良的结构形式。

　　1 传感器结构及工作原理

　　压阻式加速度传感器是最早开发的硅微加速度传感器，弹性元件的结构形式一般均采用微机械加工技术形成硅梁外加质量块的形式，利用压阻效应来检测加速度。在双端固支梁结构中，质量块像活塞一样上下运动，该结构形式的传感器示意图，如图1所示。

　　2 压阻式加速度传感器

　　压阻式加速度传感器是最早开发的硅微型加速度传感器，也是当前使用较多的一种。20世纪80年代初，美国斯坦福大学的Roylance和Angell发表了第一篇介绍硅微型加速度传感器的文章后，全硅传感器开始问世。随着对硅微型加速度计原理研究的深入以及工艺实现的多样性，硅微型加速度传感器的种类日益繁多，各种应用于不同场合下的硅微型加速度计层出不穷，对硅微型加速度计的研究也越来越受到人们的重视。

　　压阻式加速度传感器体积小、频率范围宽、测量加速度的范围宽，直接输出电压信号，不需要复杂的电路接口，大批量生产时价格低廉，可重复生产性好，可直接测量连续的加速度和稳态加速度，但对温度的漂移较大，对安装和其它应力也较敏感，它不具备某些低gn值测量时所需的准确度。

　　3 压阻式硅微加速度传感器结构形式

　　3．1 结构形式

　　压阻式加速度传感器的弹性元件一般采用硅梁外加质量块，质量块由悬臂梁支撑，并在悬臂梁上制作电阻，连接成测量电桥。在惯性力作用下质量块上下运动，悬臂梁上电阻的阻值随应力的作用而发生变化，引起测量电桥输出电压变化，以此实现对加速度的测量。

　　压阻式硅微加速度传感器的典型结构形式有很多种，已有悬臂梁、双臂梁、4梁和双岛-5梁等结构形式。弹性元件的结构形式及尺寸决定传感器的灵敏度、频响、量程等。质量块能够在较小的加速度作用下，使得悬臂梁上的应力较大，提高传感器的输出灵敏度。在大加速度下，质量块的作用可能会使悬臂梁上的应力超过屈服应力，变形过大，致使悬臂梁断裂。为此高gn值加速度拟采用质量块和梁厚相等的单臂梁和双臂梁的结构形式，如图2和图3所示。

　　3．2 梁结构的有限元模型

　　Aasys是一个可在微机上使用的综合性有限元软件，是微机电系统设计中广泛使用的有限元分析软件。通过有限元的分析计算可以预测悬臂梁上引力分布、固有频率、可测最大加速度等，进而指导梁结构参数的选取。经过对梁结构有限元的计算分析选取单臂梁、双臂梁结构参数，如表1所示。

　　由有限元计算结果，可以得到单臂梁和双臂梁上在10 000gn加速度作用下压阻元件所受的平均应力，如表2所示。

　　4 压阻式硅微型加速度传感器加工工艺

　　压阻式传感器的悬臂梁常采用CVD工艺在硅片上外延生长一层外延层刻蚀而成，文中试用键合工艺制造压阻式加速度传感器。采用键合工艺优点是能得到高质量的外延层，且悬臂梁的厚度通过硅片减薄工艺易于得到保证，精细的硅片单面研磨，厚度误差可以控制在0．5 μm以内；且不需要电化学自停止腐蚀，依靠EPW腐蚀液对SiO2的腐蚀速度极慢，使得腐蚀过程停止在SiO2层上，从而保证了硅片减薄后的厚度即为弹性梁的厚度。制作的传感器芯片尺寸3 mm×5 mm，封装在陶瓷管壳中。选n型硅片，晶向(100)，直径为50mm，厚度为300μm，电阻率为5～12 Ω·cm。传感器芯片加工工艺流程，如图4所示。

　　5 加速度传感器性能测试与结果分析

　　5．1 冲击试验

　　高gn值硅微型加速度计的灵敏度很低，在小加速度下几乎没有信号输出，只有进行冲击试验，才能检验其性能。为此，常温下冲击试验在马希特击锤上进行。

　　将标准传感器和被标定传感器同时固定在马希特击锤的锤头上，分别对单臂梁和双臂梁结构的加速度传感器样品在不同的齿数下进行冲击试验。过载试验可达到12 000 gn而不失效，加速度传感器冲击测试范围到2 500 gn。

　　5．2 测试结果分析

　　通过对被测试加速度传感器输出电压与加速度之间关系的分析，其基本属于线性关系，采用一元线性回归模型对被测试传感器数据进行直线拟合，其结果，如图5所示。

　　对于悬臂梁结构的硅微型加速度传感器，在其它结构尺寸相同的情况下，梁的厚度对加速度传感器的灵敏度影响最大，基本上是反比的关系。这是由于在同样的载荷下，梁厚与应力大小成反比，而应力大小直接影响灵敏度，应力越大灵敏度越高。由于加工出芯片梁的厚度比设计值偏差较大，故其测试灵敏度比设计值小，如表3所示。

　　在质量块尺寸一定的情况下，梁的长度与灵敏度成正比，梁的宽度与灵敏度成反比。在梁的尺寸一定情况下，质量块的质量与灵敏度成正比。

　　6 结束语

　　对制作的加速度传感器样品，在马希特击锤上进行了大量地冲击标定测试，测试结果表明：设计和加工制作的加速度计样品在进行加速度的冲击时，有较好的信号输出，单臂梁结构的加速度计的灵敏度为1 μV／gn；双臂梁结构的加速度计的灵敏度为1．6μV／gn，与理论设计值基本吻合。