MEMS加速度计横向输出抑制技术

刘智辉， 王明伟， 李玉玲， 田 雷

(中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)压阻加速度计具有性能高、体积小、成本低的特点，广泛应用于汽车、航天、航空、兵器等领域[1]。

加速度计的横向输出是指垂直于敏感轴方向的加速度引起的输出[2]。横向输出越小，加速度计测量精度越高。特别是在姿态控制、惯性导航领域的应用，横向输出会引起加速度方向的计算误差[3]，所以要求加速度计的横向输出误差在1 %以内。

为降低MEMS加速度计的横向输出，国内外开展了大量研究。最早的MEMS加速度计采用单悬臂梁结构，在工作模态下，由于结构不对称，横向输出较大；随后出现了双端固支结构，比如美国ICSensors公司的3031系列产品，采用双端四梁固支结构，充分利用结构对称性抑制了横向输出，该系列产品已经实现量产，横向灵敏度小于3 %，最小值1 %[4]。双端固支四梁结构的敏感梁和力敏电阻器制作于质量块的上表面，敏感梁的中平面与质量块的质心不在同一个水平面上，当有横向加速度时，在力矩的作用下，力敏电阻值的变化不能通过电桥平衡[5]。

本文采用了自主设计的双端固支十二梁结构[6]，建立了力学模型，分析了横向特性，通过仿真对分析结果进行验证。研制了MEMS加速度计，测得横向灵敏度比小于3 %，最小值达到了1 %。

1 敏感轴分析

双端固支十二梁结构由固支框、质量块、四条支撑梁和八条敏感梁组成，敏感方向(z轴)垂直于xoy平面，如图1(a)。MEMS加速度敏感芯片由硅上盖、硅敏感结构层、硅下盖组成，如图1(b)。敏感梁的尺寸为：长l，宽wb，高hb。支撑梁的尺寸为：宽wf，高hf。质量块长L，宽W，厚H。单晶硅的弹性模量E=1.7×1011Pa，密度ρ=2 328 kg/m3。重力加速度gn=9.8 m/s2，压阻系数π44=80×10-11Pa-1，力敏电阻器长度为lr。

图1 敏感结构和敏感芯片结构

当z轴有大小为a的加速度时，质量块m产生向下的惯性力为ma。质量块视为刚体，梁的质量忽略，可以认为惯性力作用在质量块的质心。由工程力学可知，电阻器上平均应力为[7，8]

(1)

由压阻效应原理，当供电电压为Vs时,灵敏度为

(2)

2 交叉轴分析

将8个力敏电阻器连接成如图2的惠斯通电桥，可以抵消x轴加速度和y轴加速度引起的扭转变形的交叉轴输出(表1)。y轴加速度引起质量块平动的交叉轴输出无法通过电桥连接抵消的，只能通过设计降低。

图2 惠斯通电桥

激励方向(运动方式)z轴x轴(平动)x轴(绕y扭转)y轴(平动)y轴(绕x扭转)R1+++--R2---++R3-++++R4+----R5+++-+R6---+-R7-+++-R8+---+

当y轴有大小为a的加速度时y轴平动位移

(3)

y轴平动引起的敏感梁上平均应力

(4)

(5)

优化后的敏感结构尺寸Wb为10 μm，hb为20 μm,Wf为150 μm,hf为10 μm,灵敏度S为0.48 mV/gn/5 VDC和y轴平动横向输出比TSRyx为0.458 %。

3 仿 真

用ANSYS建立有限元模型如图3。

图3 有限元模型

给质量块施加1gn的z轴加速度载荷，得到的结构位移如图4(a)所示。在1gn的加速度作用下，应力在0.18 MPa左右，如图4(b)。

图4 z轴位移和应力分布

梁中线上平面应力Sxx(正应力),Syy(正应力),Sxy(剪切应力)的分布如图5。

图5 z轴1 gn载荷下梁上应力分布曲线

当y轴加载1gn加速度时，最大应力小于6 kPa，如图6，小于z轴加载1gn加速度时最大应力的3.3 %。通过电桥的合理连接，可以将电桥响应降低至1 %以下。

图6 y轴应力分布

从仿真结果可以发现，敏感梁上剪切应力Sxy与正应力Sxx的数值可比拟。但是由于力敏电阻器沿〈110〉晶向，压阻系数π＇16=0，力敏电阻对剪切应力Sxy不敏感。

4 芯片制作和测试

利用MEMS体硅工艺完成三层硅结构加速度芯片，如图7。工艺过程中，双面光刻的对准误差越大，敏感结构对称性就越差，惠斯通电桥的横向输出抑制效果就越差，通过加强双面对准的工艺的监测，将加工误差控制在1 μm以内。

图7 芯片和测试样品

加速度是矢量，对角度偏差非常敏感。封装和测试引入的敏感轴偏离会明显增加产品的横向输出。如边长3.5 mm的芯片，贴装时胶膜厚度差0.1 mm，偏轴角达到2°，引入交叉轴干扰2.8 %。芯片贴装时使用流淌性好、线膨胀系数小的贴片胶有助于控制贴装角度。测试时用到的各类夹具也应经过偏轴角度测定，才能保证测试的准确性。

样品在中航工业304所完成测试，依据JJF1116—2004《线加速度计的精密离心机校准规范》完成性能测试，测试结果如表2和图8。

表2 测试结果

图8 3#样品输入输出曲线

5 结 论

本文研究了加速度传感器的横向输出抑制技术，分析了十二梁结构的敏感轴特性和横向特性，通过合理排布力敏电阻，充分利用惠斯通电桥的抑制作用，抵消了x轴平动、x轴扭转、y轴扭转的横向输出。

分析了y轴平动引起的敏感轴输出，通过增强敏感结构的y轴刚度，成功将y轴平动引起的横向输出理论值降低到了0.458 %。

讨论了芯片加工、封装、测试中工艺误差、安装角度引起的横向输出以及解决方案。

制作了量程100gn的传感器样品，利用精密离心机完成x,y,z三轴的输入输出特性测试，测试结果表明，x轴的横向灵敏度比小于1 %，y轴的横向灵敏度比小于3 %，可以达到1 %。该传感器适用于军事、工业、消费电子等领域。