中心議題：

• 傳感器結構及工作原理
• 壓阻式加速度傳感器的特點
• 壓阻式矽微加速度傳感器結構形式
• 壓阻式矽微型加速度傳感器加工工藝

矽微加速度傳感器是MEMS器件中的一個重要分支，具有十分廣闊的應用前景。由於矽微加速度傳感器具有響應快、靈敏度高
、精度高、yiyuxiaoxinghuadengyoudian，erqiegaizhongchuanganqizaiqiangfushezuoyongxianengzhengchanggongzuo，shiqijinnianlaifazhanxunsu。yuguowaixiangbi，guoneiduiguiweichuanganqideyanjiuqibujiaowan，suozuodegongzuozhuyaojizhongzaiguiweijiasuduchuanganqidejiagongzhizaohelilunyanjiu。wenzhongyishuangduanguzhishiguiweijiasuduchuanganqiweiyanjiuduixiang，jiezhuAasys軟件對其性能進行仿真分析
，從而選出性能優良的結構形式。

1 傳感器結構及工作原理

壓(ya)阻(zu)式(shi)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)最(zui)早(zao)開(kai)發(fa)的(de)矽(gui)微(wei)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)，彈(dan)性(xing)元(yuan)件(jian)的(de)結(jie)構(gou)形(xing)式(shi)一(yi)般(ban)均(jun)采(cai)用(yong)微(wei)機(ji)械(xie)加(jia)工(gong)技(ji)術(shu)形(xing)成(cheng)矽(gui)梁(liang)外(wai)加(jia)質(zhi)量(liang)塊(kuai)的(de)形(xing)式(shi)
，利(li)用(yong)壓(ya)阻(zu)效(xiao)應(ying)來(lai)檢(jian)測(ce)加(jia)速(su)度(du)。在(zai)雙(shuang)端(duan)固(gu)支(zhi)梁(liang)結(jie)構(gou)中(zhong)，質(zhi)量(liang)塊(kuai)像(xiang)活(huo)塞(sai)一(yi)樣(yang)上(shang)下(xia)運(yun)動(dong)，該(gai)結(jie)構(gou)形(xing)式(shi)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)示(shi)意(yi)圖(tu)，如(ru)圖(tu)1所示。

2 壓阻式加速度傳感器

壓阻式加速度傳感器是最早開發的矽微型加速度傳感器，也是當前使用較多的一種。20世紀80年代初

，美國斯坦福大學的Roylance和Angell發(fa)表(biao)了(le)第(di)一(yi)篇(pian)介(jie)紹(shao)矽(gui)微(wei)型(xing)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)文(wen)章(zhang)後(hou)，全(quan)矽(gui)傳(chuan)感(gan)器(qi)開(kai)始(shi)問(wen)世(shi)。隨(sui)著(zhe)對(dui)矽(gui)微(wei)型(xing)加(jia)速(su)度(du)計(ji)原(yuan)理(li)研(yan)究(jiu)的(de)深(shen)入(ru)以(yi)及(ji)工(gong)藝(yi)實(shi)現(xian)的(de)多(duo)樣(yang)性(xing)
，矽(gui)微(wei)型(xing)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)種(zhong)類(lei)日(ri)益(yi)繁(fan)多(duo)，各(ge)種(zhong)應(ying)用(yong)於(yu)不(bu)同(tong)場(chang)合(he)下(xia)的(de)矽(gui)微(wei)型(xing)加(jia)速(su)度(du)計(ji)層(ceng)出(chu)不(bu)窮(qiong)，對(dui)矽(gui)微(wei)型(xing)加(jia)速(su)度(du)計(ji)的(de)研(yan)究(jiu)也(ye)越(yue)來(lai)越(yue)受(shou)到(dao)人(ren)們(men)的(de)重(zhong)視(shi)。

壓阻式加速度傳感器體積小、頻率範圍寬
、測(ce)量(liang)加(jia)速(su)度(du)的(de)範(fan)圍(wei)寬(kuan)，直(zhi)接(jie)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)
，不(bu)需(xu)要(yao)複(fu)雜(za)的(de)電(dian)路(lu)接(jie)口(kou)，大(da)批(pi)量(liang)生(sheng)產(chan)時(shi)價(jia)格(ge)低(di)廉(lian)，可(ke)重(zhong)複(fu)生(sheng)產(chan)性(xing)好(hao)，可(ke)直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)連(lian)續(xu)的(de)加(jia)速(su)度(du)和(he)穩(wen)態(tai)加(jia)速(su)度(du)，但(dan)對(dui)溫(wen)度(du)的(de)漂(piao)移(yi)較(jiao)大(da)
，對(dui)安(an)裝(zhuang)和(he)其(qi)它(ta)應(ying)力(li)也(ye)較(jiao)敏(min)感(gan)，它(ta)不(bu)具(ju)備(bei)某(mou)些(xie)低(di)gn值測量時所需的準確度。

3 壓阻式矽微加速度傳感器結構形式

3．1 結構形式
壓ya阻zu式shi加jia速su度du傳chuan感gan器qi的de彈dan性xing元yuan件jian一yi般ban采cai用yong矽gui梁liang外wai加jia質zhi量liang塊kuai，質zhi量liang塊kuai由you懸xuan臂bi梁liang支zhi撐cheng，並bing在zai懸xuan臂bi梁liang上shang製zhi作zuo電dian阻zu，連lian接jie成cheng測ce量liang電dian橋qiao。在zai慣guan性xing力li作zuo用yong下xia質zhi量liang塊kuai上shang下xia運yun動dong

，懸xuan臂bi梁liang上shang電dian阻zu的de阻zu值zhi隨sui應ying力li的de作zuo用yong而er發fa生sheng變bian化hua
，引yin起qi測ce量liang電dian橋qiao輸shu出chu電dian壓ya變bian化hua

，以yi此ci實shi現xian對dui加jia速su度du的de測ce量liang。

壓阻式矽微加速度傳感器的典型結構形式有很多種
，已有懸臂梁、雙臂梁、4梁和雙島-5梁等結構形式。彈性元件的結構形式及尺寸決定傳感器的靈敏度、頻響、量liang程cheng等deng。質zhi量liang塊kuai能neng夠gou在zai較jiao小xiao的de加jia速su度du作zuo用yong下xia，使shi得de懸xuan臂bi梁liang上shang的de應ying力li較jiao大da，提ti高gao傳chuan感gan器qi的de輸shu出chu靈ling敏min度du。在zai大da加jia速su度du下xia，質zhi量liang塊kuai的de作zuo用yong可ke能neng會hui使shi懸xuan臂bi梁liang上shang的de應ying力li超chao過guo屈qu服fu應ying力li
，變bian形xing過guo大da，致zhi使shi懸xuan臂bi梁liang斷duan裂lie。為wei此ci高gaogn值加速度擬采用質量塊和梁厚相等的單臂梁和雙臂梁的結構形式
，如圖2和圖3所示。

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3．2 梁結構的有限元模型
Aasys是(shi)一(yi)個(ge)可(ke)在(zai)微(wei)機(ji)上(shang)使(shi)用(yong)的(de)綜(zong)合(he)性(xing)有(you)限(xian)元(yuan)軟(ruan)件(jian)
，是(shi)微(wei)機(ji)電(dian)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)中(zhong)廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)的(de)有(you)限(xian)元(yuan)分(fen)析(xi)軟(ruan)件(jian)。通(tong)過(guo)有(you)限(xian)元(yuan)的(de)分(fen)析(xi)計(ji)算(suan)可(ke)以(yi)預(yu)測(ce)懸(xuan)臂(bi)梁(liang)上(shang)引(yin)力(li)分(fen)布(bu)、固有頻率
、可測最大加速度等，進而指導梁結構參數的選取。經過對梁結構有限元的計算分析選取單臂梁、雙臂梁結構參數，如表1所示。

由有限元計算結果，可以得到單臂梁和雙臂梁上在10 000gn加速度作用下壓阻元件所受的平均應力，如表2所示。

4 壓阻式矽微型加速度傳感器加工工藝

壓阻式傳感器的懸臂梁常采用CVD工(gong)藝(yi)在(zai)矽(gui)片(pian)上(shang)外(wai)延(yan)生(sheng)長(chang)一(yi)層(ceng)外(wai)延(yan)層(ceng)刻(ke)蝕(shi)而(er)成(cheng)，文(wen)中(zhong)試(shi)用(yong)鍵(jian)合(he)工(gong)藝(yi)製(zhi)造(zao)壓(ya)阻(zu)式(shi)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)。采(cai)用(yong)鍵(jian)合(he)工(gong)藝(yi)優(you)點(dian)是(shi)能(neng)得(de)到(dao)高(gao)質(zhi)量(liang)的(de)外(wai)延(yan)層(ceng)，且(qie)懸(xuan)臂(bi)梁(liang)的(de)厚(hou)度(du)通(tong)過(guo)矽(gui)片(pian)減(jian)薄(bo)工(gong)藝(yi)易(yi)於(yu)得(de)到(dao)保(bao)證(zheng)，精(jing)細(xi)的(de)矽(gui)片(pian)單(dan)麵(mian)研(yan)磨(mo)，厚(hou)度(du)誤(wu)差(cha)可(ke)以(yi)控(kong)製(zhi)在(zai)0．5 μm以內；且不需要電化學自停止腐蝕，依靠EPW腐蝕液對SiO2的腐蝕速度極慢

，使得腐蝕過程停止在SiO2層上，從而保證了矽片減薄後的厚度即為彈性梁的厚度。製作的傳感器芯片尺寸3 mm×5 mm
，封裝在陶瓷管殼中。選n型矽片

，晶向(100)，直徑為50mm
，厚度為300μm，電阻率為5～12 Ω·cm。傳感器芯片加工工藝流程，如圖4所示。

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5 加速度傳感器性能測試與結果分析

5．1 衝擊試驗
高gn值zhi矽gui微wei型xing加jia速su度du計ji的de靈ling敏min度du很hen低di
，在zai小xiao加jia速su度du下xia幾ji乎hu沒mei有you信xin號hao輸shu出chu，隻zhi有you進jin行xing衝chong擊ji試shi驗yan
，才cai能neng檢jian驗yan其qi性xing能neng。為wei此ci，常chang溫wen下xia衝chong擊ji試shi驗yan在zai馬ma希xi特te擊ji錘chui上shang進jin行xing。

將(jiang)標(biao)準(zhun)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)被(bei)標(biao)定(ding)傳(chuan)感(gan)器(qi)同(tong)時(shi)固(gu)定(ding)在(zai)馬(ma)希(xi)特(te)擊(ji)錘(chui)的(de)錘(chui)頭(tou)上(shang)

，分(fen)別(bie)對(dui)單(dan)臂(bi)梁(liang)和(he)雙(shuang)臂(bi)梁(liang)結(jie)構(gou)的(de)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)樣(yang)品(pin)在(zai)不(bu)同(tong)的(de)齒(chi)數(shu)下(xia)進(jin)行(xing)衝(chong)擊(ji)試(shi)驗(yan)。過(guo)載(zai)試(shi)驗(yan)可(ke)達(da)到(dao)12 000 gn而不失效，加速度傳感器衝擊測試範圍到2 500 gn。

5．2 測試結果分析
tongguoduibeiceshijiasuduchuanganqishuchudianyayujiasuduzhijianguanxidefenxi，qijibenshuyuxianxingguanxi

，caiyongyiyuanxianxinghuiguimoxingduibeiceshichuanganqishujujinxingzhixiannihe，qijieguo，rutu5所示。

對dui於yu懸xuan臂bi梁liang結jie構gou的de矽gui微wei型xing加jia速su度du傳chuan感gan器qi
，在zai其qi它ta結jie構gou尺chi寸cun相xiang同tong的de情qing況kuang下xia，梁liang的de厚hou度du對dui加jia速su度du傳chuan感gan器qi的de靈ling敏min度du影ying響xiang最zui大da，基ji本ben上shang是shi反fan比bi的de關guan係xi。這zhe是shi由you於yu在zai同tong樣yang的de載zai荷he下xia，梁liang厚hou與yu應ying力li大da小xiao成cheng反fan比bi

，而er應ying力li大da小xiao直zhi接jie影ying響xiang靈ling敏min度du，應ying力li越yue大da靈ling敏min度du越yue高gao。由you於yu加jia工gong出chu芯xin片pian梁liang的de厚hou度du比bi設she計ji值zhi偏pian差cha較jiao大da
，故gu其qi測ce試shi靈ling敏min度du比bi設she計ji值zhi小xiao，如ru表biao3所示。

在zai質zhi量liang塊kuai尺chi寸cun一yi定ding的de情qing況kuang下xia，梁liang的de長chang度du與yu靈ling敏min度du成cheng正zheng比bi，梁liang的de寬kuan度du與yu靈ling敏min度du成cheng反fan比bi。在zai梁liang的de尺chi寸cun一yi定ding情qing況kuang下xia，質zhi量liang塊kuai的de質zhi量liang與yu靈ling敏min度du成cheng正zheng比bi。

6 結束語

對製作的加速度傳感器樣品，在馬希特擊錘上進行了大量地衝擊標定測試
，測試結果表明：設計和加工製作的加速度計樣品在進行加速度的衝擊時
，有較好的信號輸出
，單臂梁結構的加速度計的靈敏度為1 μV／gn；雙臂梁結構的加速度計的靈敏度為1．6μV／gn，與理論設計值基本吻合。