压阻式微加速度计灵敏度的温度特性研究

　　微加速度计是微惯性测量组合的重要组成部分, 为进一步提高微惯性测量组合的测量精度, 需要全面研究微加速度计的误差产生机理。另外, 对误差机理的研究将引导研究人员从设计、工艺、封装、测试等各个环节认识误差源, 进而优化微加速度计的结构, 完善其加工工艺[ 1] 。

　　在惯性器件的测量精度研究方面, 迄今为止国内外很多人员已经做了广泛的工作。法国国家航天研究中心为了/ MICROSCOPE0 任务积极开展了提高惯性器件精度方法的研究, 旨在提高测量精度到10- 15 [ 2] 。日本立命馆大学的Ranjith Amarasinghe等人设计并加工了六轴加速度计, 并对该加速度计的测量精度进行了系统的研究[ 3] 。印度科技研究所的S. Kal 等人设计并制造了一种低离轴灵敏度的压阻式微加速度计, 并研究了其测量精度问题[ 4] 。东南大学的黄胜华等人提出了扭摆式加速度计的误差来源, 并提出了相应的误差改善方法[ 5 ] 。西南工学院的朱目成等人研究了圆形力敏器件灵敏度特性, 主要从敏感电阻的中心点与膜片中心的距离等几个方面考虑对灵敏度的影响。

　　压阻式微加速度计因其结构简单、工艺成熟、灵敏度高、工作频带宽等诸多优点而成为微惯性器件领域的研究热点之一[ 6-7] 。然而, 压阻式微加速度计却存在一个致命的弱点: 其输出性能对温度的依赖性很大。温度对压阻式微加速度计的影响主要表现在两个方面: 对压阻系数的影响和对压敏电阻阻值的影响。早在1962 年, O. N. Tufte 和E. L. Stelzer等人[ 8] 就详细分析了不同掺杂浓度条件下, 压阻系数与温度的关系。加拿大阿尔伯塔微电子研究中心在制作高gn 值压阻式微加速度计时, 指出输出性能随温度的变化其原因在于温度对压阻系数P44 的影响[ 9] ; Ranjith A marasinghe[ 3] 和S. Kal[ 4] 等人也利用这一原理分别研究了六轴加速度计和低离轴灵敏度压阻式微加速度计的温度特性。他们在研究中忽略了温度对压敏电阻阻值的影响。然而, 理论计算发现, 惠斯通电桥的对称性不能完全消除压敏电阻阻值漂移对输出性能的影响。为了定量分析这种影响, 本文以体硅工艺制作的压阻式微加速度计为研究对象, 给出了压敏电阻阻值的计算公式, 并结合温度与空穴迁移率的关系, 研究了环境温度对压敏电阻阻值、微加速度计灵敏度等的影响, 给出了相应的单项误差模型。

　　1 压阻式微加速度计的设计与加工

　　1. 1 三轴压阻式微加速度计的结构设计

　　本文研究的三轴压阻式微加速度计采用了四边八梁-质量块结构, 该微加速度计的结构及其15 个压敏电阻在结构中的分布如图1 所示。15 个压敏电阻分别构成x 、y 和z 轴向的三个惠斯通半桥电路。其中, z 轴向的惠斯通半桥如图2 所示。设计电桥时, 在正负输入端与压敏电阻之间分别制作了断路电极( 如图1 和图2 中的P1~ P4 ) , 用于外接电阻实现电桥调平。在结构未受加速度作用时, 调平惠斯通电桥, 使其输出为零。当结构受到z 方向加速度作用时, 质量块上下振动, 梁上产生的应变引起了梁上的应力分布, 且梁根部和端部最大应力的值关于梁中心位置近似对称相等。在应力作用下压敏电阻阻值发生变化, 从而惠斯通电桥不再平衡, 于是有输出电压