基于MEMS的硅微壓阻式加速度傳感器的設計

硅微加速度傳感器是。MEMS器件中的一個重要分支，具有十分廣闊的應用前景。由于硅微加速度傳感器具有響應快、靈敏度高、精度高、易于小型化等優點，而且該種傳感器在強輻射作用下能正常工作，使其近年來發展迅速。與國外相比，國內對硅微傳感器的研究起步較晚，所做的工作主要集中在硅微加速度傳感器的加工制造和理論研究。文中以雙端固支式硅微加速度傳感器為研究對象，借助Aasys軟件對其性能進行仿真分析，從而選出性能優良的結構形式。

1 傳感器結構及工作原理
壓阻式加速度傳感器是最早開發的硅微加速度傳感器，彈性元件的結構形式一般均采用微機械加工技術形成硅梁外加質量塊的形式，利用壓阻效應來檢測加速度。在雙端固支梁結構中，質量塊像活塞一樣上下運動，該結構形式的傳感器示意圖，如圖1所示。

2 壓阻式加速度傳感器
壓阻式加速度傳感器是最早開發的硅微型加速度傳感器，也是當前使用較多的一種。20世紀80年代初，美國斯坦福大學的Roylance和Angell發表了第一篇介紹硅微型加速度傳感器的文章后，全硅傳感器開始問世。隨著對硅微型加速度計原理研究的深入以及工藝實現的多樣性，硅微型加速度傳感器的種類日益繁多，各種應用于不同場合下的硅微型加速度計層出不窮，對硅微型加速度計的研究也越來越受到人們的重視。
壓阻式加速度傳感器體積小、頻率范圍寬、測量加速度的范圍寬，直接輸出電壓信號，不需要復雜的電路接口，大批量生產時價格低廉，可重復生產性好，可直接測量連續的加速度和穩態加速度，但對溫度的漂移較大，對安裝和其它應力也較敏感，它不具備某些低gn值測量時所需的準確度。

3 壓阻式硅微加速度傳感器結構形式
3．1 結構形式
壓阻式加速度傳感器的彈性元件一般采用硅梁外加質量塊，質量塊由懸臂梁支撐，并在懸臂梁上制作電阻，連接成測量電橋。在慣性力作用下質量塊上下運動，懸臂梁上電阻的阻值隨應力的作用而發生變化，引起測量電橋輸出電壓變化，以此實現對加速度的測量。
壓阻式硅微加速度傳感器的典型結構形式有很多種，已有懸臂梁、雙臂梁、4梁和雙島-5梁等結構形式。彈性元件的結構形式及尺寸決定傳感器的靈敏度、頻響、量程等。質量塊能夠在較小的加速度作用下，使得懸臂梁上的應力較大，提高傳感器的輸出靈敏度。在大加速度下，質量塊的作用可能會使懸臂梁上的應力超過屈服應力，變形過大，致使懸臂梁斷裂。為此高gn值加速度擬采用質量塊和梁厚相等的單臂梁和雙臂梁的結構形式，如圖1和圖2所示。