体硅加工的压电式微加速度计的设计

　　采用MEMS 技术制造的微加速度计由于体积小、功耗低、成本低等优点, 广泛应用于汽车工业、消费电子及生物医学仪器等领域。目前, 大多数微加速度计的敏感单元采用表面微加工工艺制作, 其缺点是灵敏度较低、抗冲击能力差、噪声较大。对于一些诸如航空航天、机械冲击监测等方面的工程应用,则要求微加速度计具备高抗冲击能力。这是一般表面微加工的微加速度计所不能满足的。而体硅加工的微硅加速度计具有灵敏度较高、线性度好、频率范围宽等优点, 通过合理的设计可以获得高量程。本文设计了一种基于体硅微加工工艺的压电式微加速度计, 并对微加速度计的三个最重要参数) ) ) 灵敏度、量程及工作频率范围进行了分析。

　　1 压电式微加速度计的结构设计

　　压电式加速度计的工作原理如图1 所示, 当加速度计处于工作状态时, 质量块在外加载荷Fz 的作用下带动悬臂梁产生弯曲, 在压电层的上下表面产生电势差, 通过测量此电势差的大小, 即可得知外加加速度的大小。为研制高灵敏度、大量程的微加速度计,在对加速度计进行设计时, 必须综合考虑其结构参数对灵敏度及量程的影响。如图1 所示, 当质量为m 的质量块受加速度a 作用而受到一个F= ma 的力载荷时, 悬臂梁受到的最大应力分布在其根部, 因此将ZnO 压电薄膜布置在悬臂梁根部附近。

　　弹性元件的几何结构参数直接影响传感器的工作性能, 因而必须对其结构尺寸进行必要的分析和优化, 进而获得最佳结构参数, 以保证传感器具有良好的设计性能。

　　首先研究压电悬臂梁的结构设计对加速度计灵敏度的影响。当梁上铺设单层压电薄膜的悬臂梁发生弯曲时, 压电层的输出电压与质量块所受外加载荷的关系为[ 1] :

　　其次, 悬臂梁的结构尺寸决定了微加速度计的量程。图1 所示的悬臂梁在Z 方向加速度的作用下,梁l 段沿x 方向产生的最大应力位于悬臂梁根部, 应力为:

　　数, 因此压电式微加速度传感器的灵敏度仅与悬臂梁的结构参数有关。考虑到微加速度计的体积, 首先确定质量块的具体尺寸为1000 um*1000 um* 400um, 压电材料采用兼容于IC 工艺的ZnO。对式( 3)中悬臂梁的不同结构尺寸对加速度计灵敏度的影响进行计算, 从而对微加速度计的灵敏单元进行设计。首先规定当悬臂梁的硅层厚度与ZnO 层的厚度一定时, 加速度计灵敏度与悬臂长宽比之间的关系如图2所示, 悬臂梁长宽比越大, 加速度计灵敏度也就越大。但为保证微加速度计的量程, 不可将悬臂梁的长宽比设计得过大, 因此首先确定长宽比为2。