电磁激励谐振式加速度传感器设计与制作研究

• 作 者: 涂晟
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 微电子机械系统 加速度传感器 高灵敏度 电磁激励 差分检测

加速度传感器是惯性导航和振动监测的核心元件之一。基于硅微机械工艺的谐振式加速度传感器因其灵敏度高、准数字化输出、动态范围宽等优点，具有良好的应用前景。因此，研究高灵敏度和高稳定性的谐振式加速度传感器具有重要意义。　　
为提高加速度传感器的灵敏度，本文设计了一种新型电磁激励谐振式加速度传感器结构。传感器采用差分结构，通过引入将支撑梁与谐振梁分离后二者设计成不同厚度的特殊结构来放大轴向应力，根据电磁激励的特点采用H形双端固支谐振梁以减小同频干扰。分析了加速度传感器的数学模型及影响灵敏度的关键参数，并以此为依据对传感器结构参数进行优化设计。　　
本文研究了基于扩散硅材料和SOI(绝缘体上硅)材料的传感器制作工艺。在扩散硅工艺中，采用扩散硅层作为谐振子，提高器件性能的同时简化了制作工艺，利用KOH溶液湿法腐蚀硅在各晶向上的各向异性，实现了支撑梁、谐振梁、质量块三者不等厚结构的制作。在SOI工艺中，采用单晶硅作谐振梁以提高器件的可靠性和稳定性，同时采用背面两次深刻蚀的特殊工艺来制作支撑梁、谐振梁、质量块三者不等厚的结构。成功制作出基于扩散硅片与SOI硅片的传感器芯片。　　
在上述基础上，本文对谐振式加速度传感器的振动特性、灵敏度及线性度进行了综合测试，测试结果表明，两组谐振梁的品质因数分别为513和461，-1g～1g范围内的灵敏度分别为0.2992kHz/g和1.9892kHz/g。并针对基于扩散硅材料制作的传感器芯片在测试过程中出现的灵敏度反向的问题，提出大形变模型对其进行了仿真分析。