MEMS高G值加速度传感器研究
中北大学学位论文
供有效的数据和技术依据。
１．２国内外研究发展状况
ｆ．２．１国外研究发展现状
目前，国外已成功地研制出了性能优良的高ｇ值加速度传感器，并己成功装备到侵彻弹并应用于工程实际中∽’。由于高ｇ值ＭＥＭＳ加速度传感器具有特殊的军用背景，所以公开资料较少，可参照数据非常有限。
１９８５年，在美国军方合同资助下，德雷伯实验室（ＣＳＤＬ）开始研制可满足军用惯性系统要求的低成本微型惯性器件，１９９６年己研制出量程为１０００００９的加速度传感器。
１９８９年，美国模拟器件（ＡＤ）公司开始进行叉指式电容微加速度传感器的研究，１９９３年投产，现已形成ＡＤＸＬ系列产品。在模拟炮弹发射环境的冲击台和空气炮上进行高ｇ值冲击试验，可以承受超过６００００的冲击。
２０世纪９０年代木，美国圣地亚国家实验室利用表面微机械加工技术研制的一种钻地武器用高ｇ值加速度计如图１．１所示。量程可达５万ｇ。加速度计的结构单元包括参考电容、检测电容和支撑梁。检测电容由定极板和动极板组成，其定极板与传感器基座固连在一起，动极板由梁支撑在定极板上方。结构材料为多晶硅。
（ａ）结构示意图（ｂ）结构ＳＥＭ照片
图１．１￥ａｎｄｉａ实验室研制的高ｇ值加速度传感器
２０世纪９０年代，美国Ｅｎｄｅｖｃｏ公司７２７０Ａ系列的第一代商业化产品已经广泛使用于武器系统的引信与商冲击测试等嘲。图１．２（ａ）、（ｂ）是高ｇ值加速度传感器７２７０Ａ－２００ｋ的敏感元件结构和封装结构图。该敏感元件为双质量块结构，类似于工字梁结构。利用备
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向异性刻蚀技术和体加工技术由单晶硅刻蚀而成，压阻条用于提高灵敏度，铰链则用于抑制横向灵敏度和提高共振频率。芯片的大小为ＩｍｍＸＩｍｍＸ２００弘ｍ。芯片下面有底座，以便于贴片和过载保护，但上面没有上盖板保护，芯片也无阻尼设计。为了抵抗２０万ｇ的冲击作用，采用０２ｐｍ的焊丝，芯片被环氧材科灌封起来（包括焊点，但芯片的中心区域不灌封，管壳也未完全灌封），芯片与硅衬底之间用熔融玻璃键合（５００℃）。外部管壳为不锈钢管壳，封装后重量仅１．６９。经霍普金森棒冲击测试，结果证实传感器量程高达１００，０００９，安装固有频率达到１删ｚ量级。且在大于１０万ｇ的情况下，加速度计具有很好的线性和敏感性。
（ａ）传感器敏感元件结构（ｂ）传感器封装形式－～
图１．２Ｅｎｄｅｖｃｏ研制的７２７０Ａ－２００ｋＪｉｌｌ速度传感器
２０００年，该公司又赢得美国空军的合同，研究第二代ＭＥＭＳ高量程加速度计罂。加速度计的封装方法是：利用圆片级封装，形成玻璃一硅芯片一玻璃的夹层结构，为中间层的敏感元件提供气密封装。为了进一步提高可靠性，芯片采用通孔互连，减少丝焊互连的数量。该加速度计的封装采用小外形封装（Ｓ０－－Ｘ）。
图１．３是加拿大ａｌｂｅｒｔａ微电子中心研制的商ｇ值悬臂梁加速度计“”。该传感器可测１０万ｇ加速度，谐振频率优予１００ｋＨｚ，无论在静态还是在冲击环境下，均能承受１００００９的加速度冲击。这是一种没有质量块的压阻式加速度传感器，传感器的敏感元件是一层４ｌａｍ厚的单晶硅薄膜构成的单端悬臂梁结构，在悬臂梁上通过扩散的方法构成惠斯通电桥，该传感器在５Ｖ桥压激励时的输出灵敏度是Ｏ．７５ｌＩＶｌｇ。
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图１．３Ａｌｂｅｒｔａ中心研制的高ｇ值加速度传感器
俄罗斯方面，据到访的俄罗斯专家所说，俄罗斯已研制出测量２×１０５９的加速度传感器，其直径仅有２ｍｍ，但没有见到相关的文献报道“”。
在一些如高温，高电磁场的特殊的应用场合和环境，对常规的硅基传感器提出了考验，而碳化硅的半导体特性使其在这种场合下有着巨大的应用前景“”。如图１．４所示为美国ＮＡＳＡ中心研制的单晶６Ｈ－ＳｉＣ压阻式加速度传感器，量程达１０００００９，固有频率６００ＭＨｚ以上，灵敏度３４３ｎＶ／ｇ。
。图１．４单晶６Ｈ—ＳｉＣ压阻式加速度传感器图１．５是ＡＤＩ设计的单片集成高ｇ值加速度传感器结构的简单工艺流程“”。该传感器采用ＳＯＩ－ＭＥＭＳ加工工艺，量程达１０００００９。
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图１．５ＳＯＩ—ＭＥＭ￥高ｇ值加速度计结构工艺简图
１．２．２国内研究发展现状
目前，我国进行ＭＥＭｓ高ｇ值加速度传感器的研制单位包括清华大学、北京大学、哈尔滨工业大学、东南大学、中北大学、中电科技第四十九研究所、中电科技第十三研：究所、上海微系统所等。但无论是通过体微机械加工还是表面微机械加工，样机在抗高过载能力方面都存在较大的技术难点，至今尚未达到实用化。、，。一图１．６是北京大学微电子所研制的压阻式高ｇ值加速度传感器“”，量程为５万ｇ，
灵敏度达０．６ｌＩＶ／ｇ。该传感器在结构设计上采用了具有限位过载保护和压膜阻尼调整的三明治（Ｓａｎｄｗｉｃｈ）结构，同时实现了芯片级封装。在三明治结构的中『自Ｊ敏感结构层上设计了独特的梁膜结构，在保证结构在敏感方向上具有足够灵敏度的前提下，有效的减小了其他非敏感方向上的灵敏度。
（ａ）传感器敏感元件结构（ｂ）传感器封装形式
图１．６北京大学研制的高ｇ值加速度传感器
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中科院上海微系统所也进行了多种高ｇ值加速度传感器结构的研究“”，如图１．７所示，最大量程达ｌＯ）Ｊｇ。
图１．７上海徼系统所研制的高ｇ值加速度传感器
中北大学微米纳米研究中心研制的加速度传感器阵列“”，如图１－８所示。设计量程为０～１００９、０～５００９、０～１０００９和０～２０００９，抗过载大于２００００９。
图１．８中北大学研制的加速度传感器阵列
十三所微纳中心制作的高ｇ值加速度传感器是电容式加速度传感器“”，如图１．９所示。最大量程可以达Ｎｌｏｏｏｏｏｇ，灵敏度达５０ｕＶ／ｇ，测量精度达到０．０１％。
图１．９十三所微纳中心制作的商ｇ值加速度传感器２０４所的９８８加速度计是压电加速度计汹１。量程为１０万ｇ，该传感器照片如图１．１０所示。电荷灵敏度：０．４一Ｏ．？ｐｃ／ｇ；幅值线性：≤１０９６；最大横向灵敏度比：＜１０９６；频率响应：２５ｋＨｚ。
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图１．１０２０４所的９８８加速度传感器
从上述例子中可以看出，国内外用于高ｇ值加速度传感器的类型主要有三种：压阻式、电容式和压电式。表卜１对其原理及特点进行比较。
表卜１各种敏感原理及其特点比较
敏感信号处理线性频响
优点缺点参数电路度范围
简单的电制作工艺和信
温度系数相对较大，工作
压阻式电阻好较窄号处理简单，信
阻电桥温度范围窄
号较强‘电荷放大信噪比高，灵敏信号处理电路较复杂，回压电式电荷较好较宽
器度高，结构简单零慢，不适宜连续测试
高灵敏度
精度高，易于集
的开关电
电容式电容较差较宽成，不易受温度信号处理电路复杂。
容或电桥
影响，功耗低
电路
考虑ＭＥＭＳ高ｇ值加速度传感器具有以下特点：
①高可靠性：耐高压，高冲击、高温、潮湿等恶劣工作环境：
②高谐振频率；
③低响应时间；
④体积小、重量轻、功耗低；
由于压阻式传感器的工艺成熟、可行性高，测试相对简单，可通过补偿电路抑制温度漂移，本文首选引信用ＭＥＭＳ加速度传感器敏感元件的设计类型为压阻式。
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２．２敏舷元件结构设计
本文设计了四端全固支的压阻式粱?岛结构作为高ｇ值加速度传感器敏感元件的结构，如图２．２所示。该结构梁的宽度和质量块的长宽均一致，压阻对称放置于四粱根部，可以很好地抑制非对称性结构引起的沿梁长度方向横向加速度的影响。
（ａ）正面
（ｂ）背面
图２．２高ｇ值加速度传感器结构
Ａ
图２．３结构截面图及参数说明
四端固支粱岛结构截面图如图２．３所示，各结构参数定义如表２－ｌ所示。
表２－１结构参数定义
参数符号说明
粱长ｑ
梁宽啦
粱厚ｈｉ
质量块长岛６Ｉ＝吧
！０