基于MEMS的硅微压阻式加速度传感器的设计

4 压阻式硅微型加速度传感器加工工艺

压阻式传感器的悬臂梁常采用CVD工艺在硅片上外延生长一层外延层刻蚀而成，文中试用键合工艺制造压阻式加速度传感器。采用键合工艺优点是能得到高质量的外延层，且悬臂梁的厚度通过硅片减薄工艺易于得到保证，精细的硅片单面研磨，厚度误差可以控制在0．5 μm以内；且不需要电化学自停止腐蚀，依靠EPW腐蚀液对SiO2的腐蚀速度极慢，使得腐蚀过程停止在SiO2层上，从而保证了硅片减薄后的厚度即为弹性梁的厚度。制作的传感器芯片尺寸3 mm×5 mm，封装在陶瓷管壳中。选n型硅片，晶向(100)，直径为50mm，厚度为300μm，电阻率为5～12 Ω·cm。传感器芯片加工工艺流程，如图4所示。

5 加速度传感器性能测试与结果分析

5．1 冲击试验

高gn值硅微型加速度计的灵敏度很低，在小加速度下几乎没有信号输出，只有进行冲击试验，才能检验其性能。为此，常温下冲击试验在马希特击锤上进行。
    将标准传感器和被标定传感器同时固定在马希特击锤的锤头上，分别对单臂梁和双臂梁结构的加速度传感器样品在不同的齿数下进行冲击试验。过载试验可达到12 000 gn而不失效，加速度传感器冲击测试范围到2 500 gn。

5．2 测试结果分析

通过对被测试加速度传感器输出电压与加速度之间关系的分析，其基本属于线性关系，采用一元线性回归模型对被测试传感器数据进行直线拟合，其结果，如图5所示。

对于悬臂梁结构的硅微型加速度传感器，在其它结构尺寸相同的情况下，梁的厚度对加速度传感器的灵敏度影响最大，基本上是反比的关系。这是由于在同样的载荷下，梁厚与应力大小成反比，而应力大小直接影响灵敏度，应力越大灵敏度越高。由于加工出芯片梁的厚度比设计值偏差较大，故其测试灵敏度比设计值小，如表3所示。

在质量块尺寸一定的情况下，梁的长度与灵敏度成正比，梁的宽度与灵敏度成反比。在梁的尺寸一定情况下，质量块的质量与灵敏度成正比。

6 结束语

对制作的加速度传感器样品，在马希特击锤上进行了大量地冲击标定测试，测试结果表明：设计和加工制作的加速度计样品在进行加速度的冲击时，有较好的信号输出，单臂梁结构的加速度计的灵敏度为1 μV／gn；双臂梁结构的加速度计的灵敏度为1．6μV／gn，与理论设计值基本吻合。