悬臂梁式硅微加速度计的研制

　　硅微加速度计是 MEMS 器件的一个重要分支，具有尺寸小、重量轻、功耗低、抗冲击、能适用于恶劣环境等优点，在战术武器系统、微小型卫星、稳定控制系统、机器人、汽车、鼠标、玩具、游戏机和体育设施等方面具有十分广阔的应用前景。世界上第一只硅微加速度计由Standford 大学于1978 年研制成功[1]，并用于生物医学领域。此后，各国纷纷投入巨资进行研究，并相继出现了各种基于不同原理，采用不同结构的硅微加速度计，其中研究最为广泛有压阻式、压电式、隧道电流式、热对流式和电容式等。压阻式硅微加速度计利用硅材料的压阻效应来感测输入加速度，其优点在于制作工艺和检测处理电路相对简单，但其灵敏度较低且温度依赖性强[2,3];压电式加速度计，利用材料的压电特性检测输入加速度，灵敏度较高，缺点在于不利于批量制作及高的泄漏率[4];隧道电流式微加速度计利用隧道效应检测输入加速度，检测灵敏度很高，可达10–7g 级，缺点加工要求高、量程小且固有 1/f 噪声[5];热对流式硅微加速度计量程大、抗冲击性能好，但灵敏感偏低，且不能用于高频领域[6]。电容式硅微加速度计体积小、功耗低、灵敏度较高，且制作工艺相对简单[2]，逐渐成为研究的重点。本文介绍了一种量程±50 g，分辨率3×10–3g，非线性<5×10–4的电容式硅微加速度计的研制。

　　1 总体结构设计

　　1.1 总体微结构与工作原理

　　硅微加速度计没有直接检测加速度，而是把加速度信号转化电容信号来测量，这种通过电信号间接测量加速度信号的方法，既避免了直接获取加速度信号的困难，又有利于通过电信号实现加速度的高精度测量;其敏感芯片为一挠性梁——质量块结构，敏感轴与基片方向垂直。检测质量块通过挠性梁与单晶硅基底相连，图1 为其结构示意图。检测电极分别位于与硅基底键合在一起的上下玻璃片上，上下检测电极与质量块形成差动电容。在没有外界加速度输入的情况下，上下检测电极与检测质量块的间隙相等，此时质量块与上下两极板间电容值相等，即C₁=C₂=C₀。当在 Z 方向有加速度输入时，检测质量块在惯性力的作用下，沿Z 方向产生一个微小偏离，导致质量块与上下两极板间电容值一个增大、一个减小，设变化值为C0，通过电路检测出电容差C=C₁–C₂=，即可换算出加速度值。

　　1.2 有限元仿真

　　利用ANSYS 结构分析软件对实物模型进行了仿真模拟。敏感芯片前5 阶模态的固有频率如表1 所示。

　　由表中可以看出：敏感芯片1 阶模态的固有频率为209.8 Hz，2、3、4、5 阶模态的固有频率分别为4 811Hz、6 932 Hz、49 885 Hz、115 540 Hz。敏感芯片的模态分析结果表明其它各阶模态的固有频率同一阶模态相差较大，不容易出现其它模态干扰一阶模态的情况。对不同加速度输入情况下，加速度计敏感芯片的机械变形、内应力及电容变化量进行了仿真模似，结果表明在选定结构尺寸下，当敏感轴(Z 轴)有5 mg加速度输入时，所产生的电容变化量ΔC=2.63×10^–3pF，该电容值易于检测，满足了分辨率的要求。在敏感轴(Z 轴)有±50 g 加速度输入情况下，所产生的最大内应力为0.455 GPa，远小于硅材料的倔服强度(低一个量级)，这就保证了测量范围内线性度的要求;限于篇幅这里不作详细介绍仿真模拟的具体过程，具体请参阅文献[7]。总体来说，这种结构尺寸的设计是合理的。