基于MEMS硅微加速度傳感器的設(shè)計方案

1、基于MEMS硅微加速度傳感器的設(shè)計方案導讀硅微加速度傳感器是mem鑄件中的一個重要分支，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，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(fā)展迅速.關(guān)鍵詞：壓阻式加速度傳感器硅微加速度傳感器mem據(jù)件硅微加速度傳感器是mem器件中的一個重要分支，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，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(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

2、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(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動,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(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

3、原理研究的深入以及工藝實現(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(fù)雜的電路接口，大批量生產(chǎn)時價格低廉，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值測量時所需的準確度.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

4、上下運動，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.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(tǒng)設(shè)計中廣泛使用的有限元分析軟件

5、.通過有限元的分析計算可以預(yù)測懸臂梁上引力分布、固有頻率、可測最大加速度等,進而指導梁結(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.由有限元計算結(jié)果，可以得到單臂梁和雙臂梁上在loooogni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，精細的硅片單面研磨，厚度誤差可以控制在0.5Um以內(nèi)；且不需要電化學自停止腐蝕，依靠epw腐

6、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3mmX5mm,裝在陶瓷管殼中.選n型硅片，晶向（10。），直徑為50mm厚度為300Pm,電阻率為5123?cm.5 加速度傳感器性能測試與結(jié)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(jié)構(gòu)的加速度傳感器樣品在不同的齒數(shù)下進行沖擊試驗.過載試驗可達到12000gn而不失效，加速度傳感器沖擊測試范圍到2500gn.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，其基木屬于線性關(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