隧道式硅微加速度计的设计和制作

　　0 引 言

　　航空航天领域大批量需求微加速度计, 这里的“微”有两层含义: 一是质量轻、体积小; 二是能够测量微小量值的加速度。高灵敏的微加速度计是在空间领域( 如卫星平台、轨道舱、空间实验室、空间站等载体) 进行微重力测量的必不可少的关键器件, 也是所有运动飞行器进行状态测量和制导控制必不可少的关键器件。就目前而言, 高灵敏度微加速度计的研究至少需要解决微小型化和高灵敏度的问题。

　　利用硅梁支持检验质量块、静电力作为恢复力、差动电容或隧道效应位移检测技术研制高灵敏度的加速度计, 在国际上已达成共识。对于相同的微小间距变化, 隧道效应检测的输出电流远大于差动电容检测的输出电流; 隧道电流的大小只取决于隧道电极之间的距离, 与加速度计的结构尺寸无关, 而电容式的检测灵敏度却随着加速度计尺寸的减小而降低。因此, 隧道式硅微加速度计更有利于实现加速度计的微型化和高灵敏度。

　　本文介绍了隧道式硅微加速度计的结构设计及加工。

　　1 隧道式硅微加速度计的结构及工作原理

　　1. 1 隧道效应

　　粒子能穿透比其动能更高的势垒的现象, 称为隧道效应。当两个电极之间的距离非常接近时, 其间的势垒很小, 电子可以通过隧道效应由一个电极

　　在标准情况下( 0. 5 eV, 1 nm) , 隧道电极间距d变化0. 1 nm 时, 隧道电流I t 改变2 倍。

　　利用隧道效应作为位移检测方式得到的微加速度计具有很高的灵敏度, 图1 是隧道式硅微加速度计的结构原理图。

　　加速度计呈“三明治”结构, 下层为玻璃电极, 上层为硅梁和检验质量块组成的敏感单元, 作为检测电极之一的硅尖位于检验质量块底面中心位置。

　　1. 2 敏感单元结构

　　隧道式硅微加速度计的敏感单元由4 根硅梁支撑检验质量块组成, 检验质量块为平切的正四棱锥,如图2 所示。

　　由于采用《100》晶向的硅片经过各向异性刻蚀得到检验质量块, 底面和斜面的夹角为54. 74°[ 2], 检验质量块的质量大小为

　　在z 轴向加速度az 作用下, 检验质量块作垂直运动, 施加在质量块上的力由Fz = - Maz 确定, 此时硅梁处于横力弯曲变形状态。根据对应的边界条件求解硅梁偏转曲线的微分方程[ 3] , 再通过受力分析可得

　　隧道式硅微加速度计的敏感单元可看作质量-阻尼- 刚度组成的二阶系统。假设在动态加速度作用下, 检验质量块的垂直位移为△z 。此时有

　　1. 3 有限元模拟