基于MEMS技术梁膜结合压阻式加速度计的设计

　　0引言

　　随着微机电系统(MEMS )技术的发展，基于MEMS的各种不同原理的传感器应运而生，它使得传感器具有微小化的特点。压阻式加速度计和电容式及压电式加速度计相比，具有加工工艺 简单，易于微型化，灵敏度高，响应速度快，稳定性优良及批量生产成本低，输出阻抗低，受电磁干扰小，处理电路也较为简单等优点，广泛应用于地震监测、医疗 仪器、航空航天、武器装备等许多领域，具有广阔的发展前景。传统上的压阻式加速度计一般为单悬臂梁一质量块结构，但这种结构的加速度计很难具有较高的谐振 频率，而频率又是加速度传感器动态性能的一项重要指标，当外加载荷中存在与系统的固有频率相等或相近的频率分量时，系统就会发生共振，使得质量块一梁结构 的运动幅度过大从而导致器件结构损坏。为了防止这种现象的发生，文中对传统的悬臂梁一质量块结构进行了改进，将原有的悬臂梁变为梁膜结合式，提出了一种新 型结构的压阻式加速度计，这种结构的加速度计将在保证灵敏度的前提下，提高了频率以及减小了挠度，改善加速度的性能。

　　分析了影响频率和灵敏度的相关参数，对满足200g量程的加速度传感器的结构参数进行了优化。利用ANSYS软件建立传统的悬臂梁式和新结构的 模型，并对其进行静态和模态分析，得到应变图和各阶频率表。对新结构的加速度传感器，设计了一套工艺加工方案，通过低成本的体硅微加工技术完成对4 mm x 4 mm x 0. 4 mm的硅片的加工，最后采用静电键合封装技术将硅微固态压阻芯片与PYREX7740玻璃片在真空环境下封装结合为一体。最终设计的加速度i卜满足低 r}_}t}..程、小尺寸、高精度、高频响的要求。

　　1压阻式加速度计的工作原理

　　压阻式硅微加速度计是基于硅的压阻效应，当被测加速度a作用于在传感器上，质量块产生的惯性力而使质量块发生位移，从而导致梁发生变形。梁上有通过硼离子注人形成的压敏电阻，由于梁发生了变形导致压阻电阻的阻值发生变化，电阻的变化率表示为：

　　式中:为纵向应力;为横向应力;分别为纵向和横向压阻系数。

　　利用适当的外围电路可以将这种变化转换为可测量信号输出，比如电压、电流等形式，经过定标就可建立输出信号与被测加速度之间的关系，从而测量加速度。

　　加速度计的静态灵敏度通常被定义为

　　式中:为静态位移;a为加速度;M为质量块的质量;K为悬臂梁的有效弹簧系数;ω为固有频率。

　　由式(2)可以看出，灵敏度与加速度，固有频率的平方成反比，因此低量程加速度计很难做到较高的频率。