一种新型的压阻式硅微二维加速度计的设计

　　1 引 言

　　随着半导体和集成电路的发展,传感器开始向集成化,微型化发展,其特点是可以减小体积,减轻质量,多功能化,并且响应快和易加工。由于传感器这 种特殊性,因此它可广泛应用于航空航天、军事、汽车、通讯等领域。例如在汽车领域,汽车越高档,则所用的 MEMS 传感器越多。而加速度传感器以其独特的功能,在 MEMS 传感器领域占有重要地位[1]。目前市场上常见的微加速度计按检测原理分类有: 压阻式、压电式、电容式、隧穿效应式、谐振式以及热敏式等[2-7]。其中,由于压阻式具有加工工艺简单,易于微型化,线性度好,容易批量生产等优点而备 受关注。

　　常见的微加速度计产品都是单轴的,而微惯性系统以及其他一些应用场合往往需要双轴或者三轴的加速度计来检测加速度矢量,仅仅使用两个或三个单轴 加速度计组合,会伴生矢量测量精度低、体积大的缺点。在研究硅的压阻效应原理的基础上，结合硅微 MEMS 技术，设计出一种新型的二维加速度计，通过利用合理布置的压敏电阻构成的惠斯通电桥测量水平面内两个方向的加速度。期望采用该新型精巧的结构来提高加速度 计的灵敏特性。

　　2 结构设计

　　设计出的新型二维加速度计微结构包括两部分：四梁微结构和刚硬柱体。四梁微结构采用标准的压阻式MEMS 工艺加工而成，将压敏电阻放置在四梁的敏感部位，再将刚硬柱体固定在四梁微结构的中心连接体处。加速度计微结构如图 1 所示。

　　由压阻效应原理可知，弹性梁上敏感结构的应变能由压敏电阻的阻值变化来反应。因此，当有加速度信号作用于刚硬柱体时，柱体将会将感受到的信号传 递给敏感结构，使梁产生应力变化，植入其上的压敏电阻的电阻值便发生变化。同时敏感电阻选用四臂惠斯通全桥方式连接。当外加直流激励时，电桥的变化就会被 检测出来，从而实现水平面内加速度信号的探测。如当有沿 X 方向的加速度作用于微结构时，在梁上就会产生不对称的应力分布，若R1和R3单元对应的是张力，则R2和R4单元对应的是压力，R5、R6、R7和 R8对应的是剪切力，在梁宽度远大于梁厚度的条件下，剪切应力产生的形变完全可以忽略，这样可以基本认为 R5、R6、R7和 R8的电阻值变化为零，而 R1、R3与 R2、R4的电阻值朝相反的方向变化，考虑到该系统 X方向和 Y 方向对称，故 X 方向的分析同样适合于 Y 方向。加速度计微结构的俯视示意图如图 2。

　　3 数学模型

　　3.1 力学特性分析

　　当加速度计微结构的柱体受到 X 方向作用力时, 力Fx将会在微结构十字梁中心产生 2 个分量，沿 X 轴方向上的水平作用力 FH和绕 Y 轴的力矩 M。图 3 中(a)为弹性体承受作用后的变形情况;(b)为中心块受力分析图, (c)为单根悬臂梁的受力情况。