微硅加速度计技术综述

    引言

    单晶微硅加速度计是用现有集成电路工艺对单晶硅片加工而成的,在现有的加速度计工业中,其降低成本的潜力是最大的。

    硅是一种半导体,在元素周期表中处于金属和非金属之间。单晶硅很容易氧化,当它暴露于水蒸气时可形成一层二氧化硅表面层,该层是不活泼的,而且是电绝缘的,基本上是一个玻璃层。该氧化层在微电子器件批产时可用来保护硅面积。

    单晶硅有良好的机械特性,其弯曲强度为7×1010dyn/cm2,杨氏模量为1.9×1012dyn/cm2。单晶硅很脆,可以劈开。当拉伸和压缩时,单晶硅没有迟滞和疲劳,在达到极限时会断裂,而钢会产生可塑性变形。作为多晶的金属,钢在拉伸和压缩的重复周期下,由于应力聚集在晶间边界上而疲劳并导致断裂。单晶硅材料晶体结构均匀,不象熔融石英那样有颗粒层,可把圆片抛光到镜面光洁度;因此,单晶硅是制作加速度计的理想材料。

    自20世纪70年代以来,就有人把硅片的各向异性腐蚀同微光刻技术相结合批量生产压力传感器等微型结构,但当时的加速度计精度不高,还不能用于惯导。更为精密的是20世纪80年代中期出现的使用闭环的电容敏感、静电施力的力平衡式加速度计;因此,本文主要讨论力平衡式单晶硅微加工加速度计.

    1　力平衡式单晶硅微加工加速度计

    当前,单晶硅微加工加速度计传感器的结构形式主要有梳齿式和三明治式。按照检测质量的运动方式还可分为转角式和平移质量式。本文简单介绍梳齿式加速度计结构,重点介绍应用广泛的三明治式的单晶硅微加工加速度计。

    1.1　梳齿式单晶硅微加工加速度计

    梳齿式加速度计敏感器含有一个平面运动质量(检测质量),由两根位于该质量每一侧的平行簧片悬挂在该结构的框架上。这两根簧片的厚度与基片相同,但宽度极窄,它们只允许运动质量在平行于晶片平面的方向上平行移动,而且只有很小的弹性恢复力;所以,该敏感器的敏感轴将位于基片平面上。悬挂簧片上的导带确保连接到运动质量上的金属化表面和位于基片固定部分上的连接区之间的电气连续性。

    定齿的每个侧面都已经金属化,与定齿侧面的金属化表面形成一个平面电容器。动齿两面的金属化表面与面对它的两个定齿的金属化侧面将形成一个差动电容器。

    由动极板和两个定极板之间形成的两个电容器C1和C2的电容值可由下面的关系式给出:

    式中, e是两个电容器的平均气隙, x是动极板的相对位移,是两个电容器在x =0时的电容

    通过测量C1和C2的电容值便可以得到位移x