MEMS加速度計橫向輸出抑制技術

劉智輝， 王明偉， 李玉玲， 田 雷

(中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

微機電系統(micro-electro-mechanical system,MEMS)壓阻加速度計具有性能高、體積小、成本低的特點，廣泛應用于汽車、航天、航空、兵器等領域[1]。

加速度計的橫向輸出是指垂直于敏感軸方向的加速度引起的輸出[2]。橫向輸出越小，加速度計測量精度越高。特別是在姿態控制、慣性導航領域的應用，橫向輸出會引起加速度方向的計算誤差[3]，所以要求加速度計的橫向輸出誤差在1 %以內。

為降低MEMS加速度計的橫向輸出，國內外開展了大量研究。最早的MEMS加速度計采用單懸臂梁結構，在工作模態下，由于結構不對稱，橫向輸出較大；隨后出現了雙端固支結構，比如美國ICSensors公司的3031系列產品，采用雙端四梁固支結構，充分利用結構對稱性抑制了橫向輸出，該系列產品已經實現量產，橫向靈敏度小于3 %，最小值1 %[4]。雙端固支四梁結構的敏感梁和力敏電阻器制作于質量塊的上表面，敏感梁的中平面與質量塊的質心不在同一個水平面上，當有橫向加速度時，在力矩的作用下，力敏電阻值的變化不能通過電橋平衡[5]。

本文采用了自主設計的雙端固支十二梁結構[6]，建立了力學模型，分析了橫向特性，通過仿真對分析結果進行驗證。研制了MEMS加速度計，測得橫向靈敏度比小于3 %，最小值達到了1 %。

1 敏感軸分析

雙端固支十二梁結構由固支框、質量塊、四條支撐梁和八條敏感梁組成，敏感方向(z軸)垂直于xoy平面，如圖1(a)。MEMS加速度敏感芯片由硅上蓋、硅敏感結構層、硅下蓋組成，如圖1(b)。敏感梁的尺寸為：長l，寬wb，高hb。支撐梁的尺寸為：寬wf，高hf。質量塊長L，寬W，厚H。單晶硅的彈性模量E=1.7×1011Pa，密度ρ=2 328 kg/m3。重力加速度gn=9.8 m/s2，壓阻系數π44=80×10-11Pa-1，力敏電阻器長度為lr。

圖1 敏感結構和敏感芯片結構

當z軸有大小為a的加速度時，質量塊m產生向下的慣性力為ma。質量塊視為剛體，梁的質量忽略，可以認為慣性力作用在質量塊的質心。由工程力學可知，電阻器上平均應力為[7，8]

(1)

由壓阻效應原理，當供電電壓為Vs時,靈敏度為

(2)

2 交叉軸分析

將8個力敏電阻器連接成如圖2的惠斯通電橋，可以抵消x軸加速度和y軸加速度引起的扭轉變形的交叉軸輸出(表1)。y軸加速度引起質量塊平動的交叉軸輸出無法通過電橋連接抵消的，只能通過設計降低。

圖2 惠斯通電橋

激勵方向(運動方式)z軸x軸(平動)x軸(繞y扭轉)y軸(平動)y軸(繞x扭轉)R1+++--R2---++R3-++++R4+----R5+++-+R6---+-R7-+++-R8+---+

當y軸有大小為a的加速度時y軸平動位移

(3)

y軸平動引起的敏感梁上平均應力

(4)

(5)

優化后的敏感結構尺寸Wb為10 μm，hb為20 μm,Wf為150 μm,hf為10 μm,靈敏度S為0.48 mV/gn/5 VDC和y軸平動橫向輸出比TSRyx為0.458 %。

3 仿 真

用ANSYS建立有限元模型如圖3。

圖3 有限元模型

給質量塊施加1gn的z軸加速度載荷，得到的結構位移如圖4(a)所示。在1gn的加速度作用下，應力在0.18 MPa左右，如圖4(b)。

圖4 z軸位移和應力分布

梁中線上平面應力Sxx(正應力),Syy(正應力),Sxy(剪切應力)的分布如圖5。

圖5 z軸1 gn載荷下梁上應力分布曲線

當y軸加載1gn加速度時，最大應力小于6 kPa，如圖6，小于z軸加載1gn加速度時最大應力的3.3 %。通過電橋的合理連接，可以將電橋響應降低至1 %以下。

圖6 y軸應力分布

從仿真結果可以發現，敏感梁上剪切應力Sxy與正應力Sxx的數值可比擬。但是由于力敏電阻器沿〈110〉晶向，壓阻系數π＇16=0，力敏電阻對剪切應力Sxy不敏感。

4 芯片制作和測試

利用MEMS體硅工藝完成三層硅結構加速度芯片，如圖7。工藝過程中，雙面光刻的對準誤差越大，敏感結構對稱性就越差，惠斯通電橋的橫向輸出抑制效果就越差，通過加強雙面對準的工藝的監測，將加工誤差控制在1 μm以內。

圖7 芯片和測試樣品

加速度是矢量，對角度偏差非常敏感。封裝和測試引入的敏感軸偏離會明顯增加產品的橫向輸出。如邊長3.5 mm的芯片，貼裝時膠膜厚度差0.1 mm，偏軸角達到2°，引入交叉軸干擾2.8 %。芯片貼裝時使用流淌性好、線膨脹系數小的貼片膠有助于控制貼裝角度。測試時用到的各類夾具也應經過偏軸角度測定，才能保證測試的準確性。

樣品在中航工業304所完成測試，依據JJF1116—2004《線加速度計的精密離心機校準規范》完成性能測試，測試結果如表2和圖8。

表2 測試結果

圖8 3#樣品輸入輸出曲線

5 結 論

本文研究了加速度傳感器的橫向輸出抑制技術，分析了十二梁結構的敏感軸特性和橫向特性，通過合理排布力敏電阻，充分利用惠斯通電橋的抑制作用，抵消了x軸平動、x軸扭轉、y軸扭轉的橫向輸出。

分析了y軸平動引起的敏感軸輸出，通過增強敏感結構的y軸剛度，成功將y軸平動引起的橫向輸出理論值降低到了0.458 %。

討論了芯片加工、封裝、測試中工藝誤差、安裝角度引起的橫向輸出以及解決方案。

制作了量程100gn的傳感器樣品，利用精密離心機完成x,y,z三軸的輸入輸出特性測試，測試結果表明，x軸的橫向靈敏度比小于1 %，y軸的橫向靈敏度比小于3 %，可以達到1 %。該傳感器適用于軍事、工業、消費電子等領域。