微机械硅加速度计的性能分析

　　1　引　言

　　微机电系统(Micro Electron Mechanical Systems,MEMS)技术是近20年来发展起来的一个新兴的技术领域,是人们用以在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。MEMS器件能进入一般机械无法进入的微小空间进行高精度作业和控制而不扰乱工作环境和对象,能解决以前不能解决的许多问题,在测量、自动化技术、汽车及交通、电力及能源、光学、生物、医学、环境保护、航空航天、农业、工业、邮电通讯、军事等领域具有广泛的应用前景。MEMS技术作为21世纪纳米技术的重要内容,受到各国的高度重视。目前,美国和日本对MEMS的研究处于领先地位,并已开始获得市场效益^[1,2]。

　　MEMS器件使用的材料非常广泛,如:硅、砷化镓、石英、玻璃、铁、钛等。在众多的材料中,硅是最重要的。硅是地球上除氧之外含量最多的元素,具有优异的机电一体性,质量轻,密度小,强度高。由于几十年来对硅的深入研究,使得基于硅材料的微细加工技术和加工设备日臻完善,世界上大部分微机械传感器都是用硅制作的^[1,2]。微加速度计(微加速度传感器)是MEMS的重要内容。自从20世纪80年代初以硅材料为基础的新型加速度计问世以来,硅微加速度计以其优良的机械和电气性能越来越受到人们的重视。随着硅微机械加工技术不断成熟,使加速度计的微型化、集成化和高灵敏度的实现变为可能。全硅加速度计已成为加速度传感器技术的重要研究方向。20世纪90年代初,硅加速度计开始应用于汽车撞车报警和悬挂控制,至1995年,在这方面的用量已达500万只^[3]。可以预见在不久的将来,硅加速度计将在传感器市场中占主导地位。其应用领域也从早先的汽车报警逐步扩展到工业和航天技术等领域,如:飞机(包括直升飞机)、船舶及车辆用的稳定和控制系统、摄像机和照相机中的稳像装置、机器状态监测、振动和冲击、倾斜传感、运动检测、地震检测、重力测量、惯性导航、导弹、灵巧炮弹及炸弹、核潜艇、宇宙航行等^[4]。

　　2　硅加速度计性能分析

　　硅加速度计作为将加速度信号转换为电信号的装置,其能量传送方式、测量原理以及设计理论等与传统的加速度计并无差异,仅是在几何尺寸上微型化而已。硅加速度计采用微机械加工技术制作,具有体积小、质量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化的特点^[5]。微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产,所以其性能价格比很高。

　　硅加速度计的敏感单元由悬臂梁和检验质量块组成。敏感单元将加速度信号转换成应变量或位移量,再通过检测单元转换为电信号,最后根据一定的对应关系得到加速度的量值。从检测机理上来讲,硅加速度计主要有压阻式、电容式、压电式、谐振式、热传导式、隧道式等形式,其中压阻式和电容式加速度计开发得较早,是硅加速度计发展的主流,最为常见。