一种新结构硅微机械压阻加速度计

　　微机械加速度计在汽车、电子和惯性导航领域有广泛需求[ 1- 2] 。根据检测原理的不同, 常见的微机械加速度计分为电容式[ 3] 、压阻式[ 4- 6] 等。但是,微机械加速度计的基本结构都是相同的, 包括一个悬臂梁悬挂的质量块, 而悬臂梁连接到一个固定的外框上。质量块的质量为M, 悬臂梁的有效弹簧系数为K。外界的加速度会使质量块和框架之间产生相对位移, 而相对位移能改变悬臂梁的内部应力。相对位移和内部应力都可以被用来检测外界加速度。加速度计的静态灵敏度被定义为:

　　本文设计、制造, 测试了一种新结构的微机械压阻加速度计, 它的结构是悬臂梁- 质量块结构的一种变形, 用高K 的主悬臂梁支撑质量块, 极低K 的微梁来感受应力, 可以在不降低固有谐振频率的同时提高灵敏度。微梁对称的位于主悬臂梁的两边,位置经过优化, 取得最大灵敏度。器件利用普通的N 型硅片制造, 使用了DRIE ( 深反应离子刻蚀) 工艺。利用压阻电桥输出电信号。5 V 直流供电时,灵敏度为14. 80 mV/ g, 谐振频率为994 Hz, 分别是Tschan 等人[ 6] 设计的传统结构压阻加速度计的2.487 倍和2. 485 倍。

　　1 设计

　　对于传统的压阻式悬臂梁- 质量块结构加速度计, 检测应力变化的压阻位于提供固有谐振频率的悬臂梁上。悬臂梁的K 值越大, 谐振频率越高。然而, 相同加速度下质量块的位移却会越小, 悬臂梁上的应力变化也就越小, 所以灵敏度也就越小。总之,灵敏度与谐振频率在结构上不能兼顾, 从而限制了加速度计的性能指标。本文提出了一种新结构, 特点是加速度计的灵敏度和谐振频率在结构设计时可以分开考虑, 增加了设计的灵活性。可以在不降低固有谐振频率的同时显著提高灵敏度。

　　加速度计的结构如图1 所示。主要由1 个边框、1 个主悬臂梁、2 个微梁和1 个可动质量块组成。主悬臂梁两边对称的摆放2 个微梁。这个主悬臂梁和2 个微梁连着1 个可动质量块。在微梁表面沿轴向( < 110> 方向) 扩散有压阻力敏电阻, 并连成半桥。当器件受到加速度a, 质量块偏转时, 两根微梁会一根拉伸, 一根压缩。在应力的作用下, 微梁上压阻的阻值会一个增大, 一个减小。所以, 半桥的输出与加速度的大小成正比。

　　主悬臂梁的尺寸是2 000 um x60um x500um, 而微梁的尺寸只有50 um x 2 um x50 um,在检测模态的等效弹簧系数K 分别为5734 N/ m和136 N/ m, 相差42 倍。所以, 加速度计的谐振频率主要由主悬臂梁决定, 微梁起的作用很小。谐振频率的设计值是910 Hz。

　　用于检测加速度的压阻扩散在微梁上。为了获得高灵敏度, 微梁很细, 非常敏感, 质量块很小的挠动就能在微梁上产生很大的应力, 输出很大的信号。微梁的位置经过优化, 以获得更大的灵敏度。优化方法可以用直拉直压原理来解释。