1、硅微壓阻式加速度傳感器設(shè)計(jì)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化年級(jí)：機(jī)103姓名：沈柏瑞 學(xué)號(hào)：10101030315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 的一種產(chǎn)品。20世紀(jì)80年代初美國(guó)斯坦弗大學(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(wèn)世。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，因而在近年來(lái)發(fā)展迅速。文章首先 對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，給出了一種基于MEMS技術(shù)

2、制作的壓 阻式硅微加速度傳感器的結(jié)構(gòu)和工藝，并對(duì)制作的加速度傳感器樣品進(jìn)行了動(dòng)態(tài) 測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明與理論設(shè)計(jì)值基本吻合。壓阻式加速度傳感器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，也是當(dāng)前使用較多的 一種產(chǎn)品。20世紀(jì)80年代初美國(guó)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(wèn)世，隨著對(duì)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增 多，各種應(yīng)用于不同場(chǎng)合下的硅微型加速度計(jì)層出不窮，對(duì)硅微型加速度計(jì)的研 究也越來(lái)越受到人們的重視。彈性元件的結(jié)構(gòu)形式一般采用微機(jī)械加工技術(shù)形成 硅梁外加質(zhì)

3、量塊的形式，利用壓阻效應(yīng)來(lái)檢測(cè)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)的傳感器示意圖如圖1所示。壓阻式加速度傳 感器體積小，頻率范圍寬，測(cè)量加速度的范圍也寬，直接輸出電壓信號(hào)，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(cè)量連續(xù)的 加速度和穩(wěn)態(tài)加速度，但對(duì)溫度的漂移較大，對(duì)安裝和其他應(yīng)力也較敏感，它不 具備某些低gn值測(cè)量時(shí)所需的準(zhǔn)確度。圖1傳感器不意圖壓阻式硅微加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式2.1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(cè)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

4、阻的阻值隨應(yīng)力的作用發(fā)生變化，引起測(cè)量電橋輸出電壓變化， 以此實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的測(cè)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、四梁和雙島-五梁等結(jié)構(gòu)，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(huì)使懸臂梁上的應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力，變形過(guò)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、圖3。圖3雙臂梁結(jié)構(gòu)2.2梁結(jié)構(gòu)的有限元模型ANSYS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(guò)有限元的分析 計(jì)

5、算可以預(yù)測(cè)懸臂梁上引力分布、固有頻率、可測(cè)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(guò)對(duì)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。表1加速度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)梁結(jié)構(gòu)LBh1b單臂梁300 iu m400 u m10 p m100pm 300p m雙臂梁300 p m400 p m10pm100 p in 60 p m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。表2壓阻元件的平均應(yīng)力理論值梁結(jié)構(gòu)R1R2ICJylOyl單臂梁雙臂梁11.161.1011.751.10 , Ax 106N/m226.301.20壓阻式硅微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(zhǎng)一層外延層刻蝕 而成3，本文試用鍵合工藝制造壓阻式加速度傳感器。采用鍵合工藝的優(yōu)點(diǎn)是 能得到高質(zhì)量的外延層，且懸臂梁的厚度通過(guò)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 p m以內(nèi)；且不需要電化學(xué)自停止腐 蝕，依靠EPW腐蝕液對(duì)SiO2的腐蝕速度極慢，使得腐蝕過(guò)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3mm X 5mm，