一种新型三轴电容式加速度计的设计分析

　　硅微加速度传感器研究与开发始于20世纪80年代初,是继微压力传感器之后第2个进入市场的微机械传感器。1997年,韩国研究人员Kilin Kwon和Sekwang Park研制出一种应用SDB技术和多晶硅淀积的体加工三轴加速度传感器[1]。美国加州大学Berkeley分校研制了基于表面加工的微型三轴加速度传感器[2]。一般而言,有两种方法可实现三轴加速度计的检测,一种是在同一基片上包含3个各自独立的检测质量及相应的电容检测和反馈回路,每个检测质量都有各自的接口电路,通过片上的控制时钟来协调[3];另一种是用一个检测质量块同时实现多轴力平衡。瑞典IMEGO研究所Henrik R等人报道了一种新型硅微三轴加速度传感器[4],外形尺寸为6 mm×4 mm×1·4 mm,采用的各向异性腐蚀使敏感梁在厚度方向与加速度传感器的法线方向(z轴)呈35·26°,结构组成包括4个敏感质量块、4个独立的信号读出电极和4个参考电极。该研究小组2005年报道的微型三轴加速度传器, 4个敏感质量块各自由沿(111)晶面倾斜54·74°的梁悬挂支撑[5]。

　　目前,国内关于三轴电容式加速度计的研究成果和相关的报道不多。国防科技大学的刘宗林等人研制出一种新型三轴电容式微加速度计[6],采用差分电容原理,大大提高了传感器的检测精度,具有稳定性好,漂移小和灵敏度高等特点;采用单惯性质量保证了三轴质心的重合。北京大学曹新平等研制出了一种大厚度的三轴差分电容式硅微加速度计[7],采用3个共用同一玻璃衬底的大厚度差分电容式微结构,分别用于检测3个垂直方向的加速度,因而沿不同方向的灵敏度可在很大程度上独立调节,同时采用硅/玻璃阳极键合工艺同ICP深反应离子刻蚀工艺结合的加工方法。得出的微结构有精确的横向尺寸,高侧壁垂直度和小寄生电容。

　　文中给出了一种新型三轴电容式加速度计,回字形质量块用来敏感水平方向的加速度, H形质量块单独检测z轴的加速度。计划采用ICP与静电键合工艺加工,使得加工出的微结构有较大厚度,结构稳定性好,具有较高的灵敏度。

　　1　加速度计的结构设计

　　该梳齿电容式三轴加速度计的结构,如图1所示。x和y水平轴向加速度检测,采用如图1(a)所示的体硅工艺不对称梳齿电容结构,其结构特征是每条边上有36对梳齿,每对梳齿间隙为5μm,相邻梳齿对间隙为10μm,它们与定齿形成差分电容,便于微小电容变化的检测。整体结构参数为1 000μm×1 000μm×50μm,支撑梁尺寸为320μm×320μm×50μm。在每条边的边缘拐角处设计一过载保护装置,可避免加速度过载引起结构的断裂。

　　z轴垂直方向加速度检测结构梳齿与水平轴向的梳齿的厚度相同,每条边上梳齿对为16对。支撑梁的参数为200μm×400μm×2μm。这种支撑梁结构计,可以很好的减少x, y水平轴向加速度对z轴向加速度检测的影响,同时为了减少系统阻尼,在支撑梁上刻蚀小孔。