硅微压阻式加速度传感器设计

1、硅微压阻式加速度传感器设计专业：机械设计制造及其自动化年级：机103姓名：沈柏瑞 学号：10101030315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 的一种产品。20世纪80年代初美国斯坦弗大学的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。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，因而在近年来发展迅速。文章首先 对传感器结构及工作原理进行了简单介绍，给出了一种基于MEMS技术

2、制作的压 阻式硅微加速度传感器的结构和工艺，并对制作的加速度传感器样品进行了动态 测试，测试结果表明与理论设计值基本吻合。压阻式加速度传感器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，也是当前使用较多的 一种产品。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增 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。弹性元件的结构形式一般采用微机械加工技术形成 硅梁外加质

3、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，该结构的传感器示意图如图1所示。压阻式加速度传 感器体积小，频率范围宽，测量加速度的范围也宽，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，对安装和其他应力也较敏感，它不 具备某些低gn值测量时所需的准确度。图1传感器不意图压阻式硅微加速度传感器结构形式2.1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

4、阻的阻值随应力的作用发生变化，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、四梁和双岛-五梁等结构，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、图3。图3双臂梁结构2.2梁结构的有限元模型ANSYS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

5、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。表1加速度传感器的结构设计参数梁结构LBh1b单臂梁300 iu m400 u m10 p m100pm 300p m双臂梁300 p m400 p m10pm100 p in 60 p m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。表2压阻元件的平均应力理论值梁结构R1R2ICJylOyl单臂梁双臂梁11.161.1011.751.10 , Ax 106N/m226.301.20压阻式硅微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3，本文试用键合工艺制造压阻式加速度传感器。采用键合工艺的优点是 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 p m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3mm X 5mm，