硅微加速度" title="加速度">加速度傳感器" title="傳感器">傳感器是,。MEMS" title="MEMS">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(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)構形式,。
1 傳感器結(jié)構及工作原理
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)構形式一般均采用微機械加工技術形成硅梁外加質(zhì)量塊的形式，利用壓阻效應來檢測加速度,。在雙端固支梁結(jié)構中,，質(zhì)量塊像活塞一樣上下運動，該結(jié)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(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(chǎn)時價格低廉,，可重復生產(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)構形式
3．1 結(jié)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(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)量塊上下運動,，懸臂梁上電阻的阻值隨應力的作用而發(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)構形式,。彈性元件的結(jié)構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(zhì)量塊和梁厚相等的單臂梁和雙臂梁的結(jié)構形式,，如圖2和圖3所示。
3．2 梁結(jié)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(tǒng)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(jié)構參數(shù)的選取。經(jīng)過對梁結(jié)構有限元的計算分析選取單臂梁,、雙臂梁結(jié)構參數(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(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0．5 μm以內(nèi)；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(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(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)構的硅微型加速度傳感器,，在其它結(jié)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(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,，在馬希特擊錘上進行了大量地沖擊標定測試，測試結(jié)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(jié)構的加速度計的靈敏度為1 μV／gn；雙臂梁結(jié)構的加速度計的靈敏度為1．6μV／gn,，與理論設計值基本吻合。