三维MEMS加速度计的性能测试方法与分析

　　1 引言

　　20世纪80 年代初, 随着微电子技术、半导体集成电路工艺的日臻完善, 人们开始把 Ic 制造技术应用于精密机械制造, 出现了微型机械、微型传感器、微型执行器等微机械制造技术。把微型机械与其控制处理电路集成在一起, 组成了微机电系统MEMS(micro electronic mechanical system).硅微加速度计正是应用MEMS 技术, 在硅片上用特殊的加工方法制造成的、体积非常小的测量加速度的传感器。本文以中北大学设计的一种三维压阻式微机械加速度计为对象, 介绍了三维加速度计的性能测试方法。

　　2 三维MEMS 加速度计的原理及结构

　　2.1 压阻式加速度计原理

　　压阻式加速度计是利用单晶硅的压阻效应制成的, 即单晶硅受到力时它的电阻率会发生变化。在弹性范围内, 硅的压阻效应是可逆的。根据欧姆定律, 导体或半导体材料的电阻R=ρL/A (1.1) 其中ρ是电阻率, L 是导体长度, A 是导体或半导体的截面积。微分后得

　　式中π是压阻系数; σ是应力; E 是弹性模量; μ是泊松比;ε是应变; K=πE+1+2μ是灵敏系数。因而其电阻的相对变化可以写为

　　受力后力敏电阻的变化率△R/R等于电阻率变化率ΔR/R等于电阻率变化弯Δρ/ρ，而

　　力敏电阻受力后 ΔR/R 的增减主要取决于应力的正负。当加速度计受到加速度 a 时, 质量块 m 会把加速度转化为惯性力F, F=ma, 这个力使加速度计的硅悬臂梁发生形变, 从而在梁上产生应力, 应力变化再使力敏电阻的阻值发生变化, 最后由惠斯通电桥输出电压的变化, 就可实现对加速度的测量。

　　2.2 三维微机械加速度计的结构、参数

　　本实验采用三维微机械加速度计的结构设计是, 中心是可活动的质量块, 周围是八根梁支撑的结构。如下图1 所示。这样的结构不仅可以保证加速度计具有较高的灵敏度, 又可分别输出x, y, z 三向的加速度, 而且又有足够的强度。

　　其内部电阻及输出端A、B、C、D、E 分布如图2 示。测各向加速度的输出电压分别为:

　　此三维微机械加速度计的量程为1万g, 采用体硅工艺制成。右图3 所示。

　　3 测试装置及电路原理

　　此三维加速度计测试是把被测加速度计与标准对比加速度计一起固定在相同的冲击装置上, 通过马歇特冲击试验进行的。由于锤头的冲击幅度比较大, 数据的测试存储装置是通过较长的导线与固定在冲击装置上的三维微机械加速度计、对比标准压电传感器连接的。由于加速度计本身的输出比较小, 再加上较长的信号传输导线也将会对信号的采集产生一定的影响。因此, 在对信号进行采集前需要通过差分放大电路对各方向的信号进行放大。三向输出信号可采用相同的放大电路。差分放大器选用ANALOG 公司的AD623, 图中VCC3.3V 为供电电压,2.5V 为参考电平REF 的提供电压。IN+, IN- 分别对应所测的方向的两路差分输入信号, OUTPUT 为输出信号。其输入输出的关系有