叉指微加速度计的设计与闭环检测研究

　　1 引言

　　微加速度计是一种重要的惯性仪表, 它在军工、航空航天、科学测量方面都有着广泛的应用, 1993 年, 美国 ADI 公司采用MEMS 技术成功地将微型加速度计商品化, 并大批量应用于汽车防撞气囊, 使微加速度计成为第一个实现大规模商品化的MEMS 产品, 此外, 微加速度计在消费电子、医疗方面也有大量应用。微加速度计的种类很多, 如压阻式、电容式、热电式、谐振式等, 电容式微加速度计敏感器件制作简单, 受温度的影响小,所以越来越多的加速度计的设计采用了电容式, 对于电容式加速度计, 由于微机械尺寸很小, 所以形成的电容量微弱, 因此大多采用了差动测量方式,“叉指式”微加速度计就是其中的典型代表。

　　文章以叉指微加速度计为研究对象, 设计了一种叉指加速度计敏感结构, 研究得到了折叠弹性梁的设计方法, 并对微加速度计结构进行了静力与模态仿真, 设计了加速度计的闭环反馈检测电路, 并对其进行了测试。

　　2 叉齿式加速度计的结构设计、仿真及工艺过程

　　2.1 结构设计

　　“叉指式”硅微加速度计是一个双侧叉指结构, 它由折叠梁、检测质量块、叉指等组成, 每个叉指为可变电容的一个活动极板,固定指与活动指交错配置, 在固定指与活动指的相对位置上有定指均匀配置和定指偏置配置, 活动叉指的作用是充当检测指和力反馈指, 有些文献中检测指和力反馈指是分开的, 本文采用的定指偏置的结构, 同时,双侧的叉指既担当检测指, 也担当反馈指, 在惯性质量块两端各有一对折叠梁, 折叠梁在敏感轴方向刚度较小, 其它方向有较大刚度, 这样可以防止交叉耦合, 另外在结构上采用了止挡头的结构, 防止瞬间加速度过大对加速度计的破坏。结构模型如图1 所示, 加速度计采用硅—玻璃静电键合、以及ICP- DRIE 离子刻蚀工艺制作。

　　通过结构尺寸的优化设计我们选择了该加速度计的主要尺寸见表1:

　　优化设计的目标是:

　　(1)折叠梁敏感轴弹性系数 Kx为 40 N/m 到 80 N/m 之间;

　　(2)表头版面尺寸在 2mm×2mm 以内;

　　(3)芯片厚度从 20 um 到 80 um。

　　*22um为总宽度,其中包括两根窄梁,每根宽6um,中间10um间距.

　　2.1.1 U 型梁加速度计的弹性系数

　　叉指微硅加速度计的 U 型梁弹性系数是设计的重要内容,如果检测方向弹性系数过小, 动指的位移加大, 容易导致吸合;如果弹性系数过大, 动指位移小, 导致输出信号过小不容易检测。故在本文中, 设计加速度计的弹性系数为40 N/m 到80 N/m之间,作为优化尺寸的依据之一。图2 是U 型曲折梁的结构示意图, 可看作三段梁组成, 依次定义为a 段, b 段, 和 c 段梁, 三段梁长度依次为la, lb, lc, 对应的梁宽依次为wa, wb, wc, 三段梁的厚度为.则根据文献8 可以得到加速度计的敏感轴向的弹性系数: