新颖型非整体膜结构硅加速度计的研制

　　1　引言

　　随着科技的发展,对微机电系统的要求越来越高,尤其是航空航天领域对微型加速度计要求更是如此。在各种加速度计中,硅加速度计是很重要的新颖的加速度传感器。由于它是采用硅单晶材料和硅微加工工艺实现的,故这种加速度计具有结构简单、体积小、功耗低、适合大批量生产及价格低、性能优等特点,近几年得到了较大的发展,人们也研制了平面振动式硅微加速度计、隧道式等性能优异的加速度计[1,2]。它们在微重力测量、倾角测量和航空航天等领域有着广泛的应用。

　　2　加速度计敏感元件结构

　　加速度计中的敏感元件结构剖面如图1所示,它是过垂直于图2硅芯片平面且平行于A-A直线中心剖面。各元件的作用是:1是核心部件———敏感硅芯片,其结构和加工工艺在下面专门介绍;2分别为上下玻璃盖板,起到过载限位保护作用,防止由于加速度过大而损坏硅芯片。硅片与限位保护盖板的连接我们采用静电封接的方法,敏感元件与加速度计管座仍用化学粘接法,尽可能使硅芯片与盖板、敏感元件与管座的固接为刚性连接。

　　3　结构及工作原理

　　3·1　硅芯片的结构

　　硅加速度计的芯片结构如图2所示。硅片选用双面抛光的(100)晶面的N型硅圆片,图2中两个平行于A-A线的虚线框所示的位置是4组压阻电桥所在的区域,其工作原理与一般压阻电桥式硅压力传感器相同。图中画有斜线的部分是将硅芯片用硅的各向异性工艺腐蚀穿后形成的槽孔,我们称之为增敏槽,其作用一是将敏感区与固支边隔离,二是使应力集中在此敏感区,使这部分获得较大的应变。由图可见这是一种非整体膜结构。由于在同一硅芯片上制作了4组敏感电桥,故本结构除了其均匀性和一致性都很好外,芯片的成品率也较单组敏感桥的硅芯片增加了4倍;也由于敏感电桥远离固支边,故受周边固支件的应力、温度变化等等因素的影响就很小,即可以用此硅芯片封装成性能较好的加速度计。

　　3·2　硅芯片加工工艺

　　硅芯片加工工艺流程如图3所示。

　　3·3　工作原理

　　从图2可以看出,由于所用硅片为360μm厚,较应变电阻部分膜厚度(约30μm)厚得多,故质量块部分的形变可以不计,即质量块视为刚性的,所以质量块的位移等于三段小悬臂梁的位移的叠加[4],即可以引入串联悬臂梁的模型来分析它的相关参数。当系统受到垂直于硅芯片平面的加速度作用时,质量块受到惯性力作用,此力迫使质量块产生相对于敏感电桥区的位移并迫使敏感电桥区形变。由于硅的压阻效应,最终使敏感电桥的电阻值发生变化,从而得