一种硅微型加速度计的制备与测试方法研究

　　1　引　言

　　随着微电子加工工艺不断渗透到机械制造行业,从而出现了许多微型传感器。硅微型加速度计就是其中之一。它是在单晶硅上借助半导体加工工艺制作加速度计的微结构部件,并把相关的电子线路集成在一起。这种加速度计具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、易于大批量生产、数字化和智能化程度高等特点。在工业自动控制、汽车、地震测量、军事和空间系统、医学及生物工程等领域中有着广泛的应用前景。

　　2　结构与工作原理

　　硅微型加速度计的结构形式很多。图1为硅微型扭摆式静电力平衡加速度计原理图。该加速度计由一对挠性轴、摆块、信号器和力矩器的四个电极及其电子线路组成。摆块由偏在其一边的一对挠性轴支承,利用摆块两边的质量差形成检测质量,构成摆元件。敏感摆块偏转用的电容传感器和施加力矩用的静电力矩器四个埋入式电极均是在玻璃表面上溅射沉积一层金属而成。摆块借助浓硼扩散技术,使之成为电容传感器与静电力矩器的公共电极。四个电极与公共电极之间的间隙很小,仅几微米。该加速度计工作原理如下:在无加速度输入时,摆块处于平衡位置,两个电容器极的间隙相等,无电容量输出。当有加速度作用时,检测质量相对挠性轴轴线产生惯性力矩,迫使挠性轴扭转,从而引起摆块与电容器电极之间的电容变化,经电容—电压转换电路、交流放大、解调和滤波以及电极电压发生器,加到静电力矩器电极上,迫使摆块处于力平衡状态。此时输入力矩器的电压正比于输入加速度大小。该加速度计的测量范围和线性度均比较高。在不计支承摩擦力矩条件下,该加速度计的数学模型为

　　式中I为摆块转动惯量;D为摆块阻尼系数;K为挠性轴扭转刚度系数;ε为介电常数,真空中ε0=8.854×10-12F/m;U0为偏置电压;Ae、be和se分别为力矩器电极面积、边长和电极到挠性轴中心距离;z0为摆块与电极间距离;Kd为检测控制电路增益;Kc=[ε·Ac(2sc+bc]/z20为信号器传递系数;m=(L2-L1)W·d·ρ为摆块的检测质量;r为检测质量中心到挠性轴中心间距离;Ac、bc和sc分别为信号器电极面积、边长及其电极到挠性轴中心间距离;L2、L1分别为摆块长边和短边到挠性轴中心间距离;W、d和ρ分别为摆块的宽、厚和密度。

　　3　结构设计

　　假定:(1)摆块相对于挠性轴是刚性的;(2)挠性轴绕其自身轴线具有低扭转刚度,垂直于自身轴线具有高抗弯刚度。结构设计时,挠性轴的尺寸应满足结构的刚性条件和弹性条件。所设计的加速度计应满足静态灵敏度和最大测量范围要求。