电测法测量梳齿式微机械加速度计的机械参数

机械参数是保证微机电系统(MEMS)性能的重要条件[1]。用成像的方法精确测量机械参数,如用光学显微镜、扫描电镜或原子力显微镜等成像,从图像上获取机械参数[1～3],对测量环境和设备要求较高。而间接测量方法[4,5]获得机械参数,其结果不可避免地与微结构的几何尺寸有关。

梳齿式微机械加速度计是一种敏感电容极板间距变化的差动电容式传感器,采用体硅工艺制作的梳齿式结构有较大的深宽比,受工艺条件的限制,侧向刻蚀会造成梳齿间距变大和挠性梁机械刚度变小[6,7],导致加速度计的实际性能与设计值不符。基于上述原因,在目前的工艺条件下,改进间接测量方法,估算敏感元件的机械参数是有实际意义的。体硅工艺加工的梳齿结构如图1所示。其结构深宽比大,截面形状的变化使得很难利用图像得到梳齿间距的有效值;梳齿对数多,无法从图像上直接量取一组梳齿对的等效梳齿间距。

本文提出了利用静态电测法获得机械刚度和等效梳齿间距的基本原理和实验方法,给出了实际测量结果,并利用实际测量结果估算了由该敏感元件构成的闭环系统的静态性能,与实际闭环系统的测量结果吻合得很好。

1　基本原理

静态电测法的基本原理是:在敏感元件施力电极上加直流电压,在摆片上产生与摆片重力相当的静电力,通过施加的直流电压VF和摆片的位移Δd来估算敏感元件的机械刚度km和等效梳齿间距d0。

1.1　敏感元件结构及等效电路

梳齿式敏感元件的结构如图2所示: S1和S2为检测电极, F1和F2是施力电极,n为其单边梳齿对数,d0为其等效梳齿间距,下标s表示与检测电极相关的参数,下标f表示与施力电极相关的参数,x方向为敏感轴,l为梳齿重叠部分的长度,km为挠性梁的机械刚度。

结构厚度为h。在开环加速度计电路中,图2所示的结构可以等效为两对差动电容。开环加速度计原理如图3所示,图中:ds1,ds2,df1和df2分别为摆片与下标电极之间的实际等效梳齿间距,a方向为加速度的正方向,m为摆片质量。

开环加速度计工作时,在检测极板S1和S2上施加幅值为Us、相位差180°的正弦载波,将输入加速度a引起的摆片位移Δd变为差动电容的输出电压Ui,通过检测电路将信号放大并解调得到输出电压Uo。因此敏感元件的位移变化率Ksen和检测电路放大倍数Kamp分别为:

1.2　测量原理及公式

当敏感元件垂直放置时,在重力加速度作用下摆片位移为Δd,相应电路输出为Uo;当敏感元件水平放置,在同一侧施力电极上施加直流电压VF使电路达到相同的输出Uo,此时静电力与摆片的重力相等,即