硅微谐振式加速度计的实现及性能测试

　　1　引　言

　　硅微谐振式加速度计是以微机械加工工艺为基础制作的MEMS惯性器件,它通过检测谐振器谐振频率的变化来敏感加速度的大小。相对于传统加速度计,硅微谐振式加速度计具有量程范围大,分辨率高、稳定性好、体积小、质量轻等特点。由于其输出为频率信号,便于检测和数字化系统集成,应用较为广泛,因此很多研究机构都在积极开展这项技术的研究。目前,美国在谐振式加速度计方面处于领先地位。据报道,Draper实验室研发的谐振式加速度计性能已达到战略级,零偏稳定性和标度因数稳定性分别为5μg和3×10-6 [1]。Honeywell公司的SA500谐振式加速度计零偏稳定性和分辨率为4 mg和50μg。韩国首尔大学研制的基于混合微加工技术的硅微谐振式加速度计零偏稳定性也已经达到5.2μg[2]。国内很多机构也正致力于这方面的研究,并取得了一定的成果。本文详细阐述了作者研发的一种基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的差分式硅微谐振式加速度计样机的结构、工作机理以及性能测试等情况。硅微谐振式加速度计样机已实现的性能为:量程±50g,标度因数143Hz/g,零偏稳定性1.2 mg,零偏重复性0.88mg,阈值170μg。

　　2　加速度计样机概况

　　2.1　结构设计

　　硅微谐振式加速度计样机结构(见图1所示)主要由敏感质量块、谐振器和微杠杆3部分组成。其中谐振器采用双端固定音叉结构,由梳齿结构和谐振梁组成,梳齿结构分为检测梳齿和驱动梳齿。检测梳齿将谐振梁的运动转化为检测电流输出,通过外部接口电路将检测电流转化为驱动电压。驱动电压再作用在驱动梳齿上产生静电驱动力使谐振梁以固有频率谐振[3]。

　　当有外部加速度作用在加速度计上时,微杠杆结构将作用在敏感质量块上的惯性力放大,施加在两个谐振器上。其中一个谐振器受拉,谐振频率增大;而另一个谐振器受压,谐振频率减小,谐振式加速度计的输出为两个谐振器振动频率的差值。这种差动结构设计提高了加速度计的灵敏度,同时也有效抑制了两谐振器的共模误差。

　　2.2　加工方法

　　硅微谐振式加速度计采用DDSOG工艺方案制备。整体的工艺流程如图2所示。DDSOG工艺的主要特点是采用了硅玻对准键合和深反应离子刻蚀(Deep Reaction Ion Etch,DRIE)两项关键技术。工艺过程中无湿法腐蚀,纵横向尺寸控制精度高;工艺流程简单,全部工艺只需要3次光刻,成品率高,工艺成本较低[4]。

　　电镜拍摄的硅微谐振式加速度计实际结构如图3所示。

　　2.3　真空封装

　　抽真空是谐振式加速度计制造中的重要环节,高真空度可以减小谐振式加速度计的空气阻尼,提高品质因数。这样一方面减小了寄生馈通电容的影响,确保了谐振器正常起振;另一方面也减小了机械热噪声,提高了频率稳定性。硅微谐振式加速度计采用了器件级真空封装技术,机械结构安装于LCC表面贴装形式的陶瓷管壳内。图4所示为器件级真空封装表头。