蝶翼式振动加速度传感器设计与制造*

李 凯,单 恒,蒲金飞,2,陈伟琪,吴学忠,侯占强

(1.国防科技大学 智能科学学院,湖南 长沙 410073；2.唐智科技湖南发展有限公司,湖南 长沙 410007)

0 引 言

微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)加速度传感器的研究与开发始于20世纪80年代初,采用MEMS和集成电路(integrated circuit,IC)加工工艺生产。它吸收了多种学科的研究成果,具有集成电路系统的许多优点。近些年来,国内外很多科研机构与公司对MEMS加速度传感器进行了大量的研究工作,取得了许多研究进展[1～4]。由于MEMS 传感器具有功耗低、质量轻、灵敏度高等优势,可在不影响被测物体的结构的条件下测出物体的特性,因此在电子、机械、化工等领域应用广泛[5～7]。但由于技术和成本等多方面的原因,之前这些技术主要应用于工业、军事、汽车制造、仪器仪表,及医疗等领域,未大量进入消费类产品市场。

目前高精度、低量程MEMS加速度传感器产品已得到应用广泛[8～10],但产品量程和部分性能仍然无法满足故障诊断和安全工程领域的监测需求,故在原MEMS加速度传感器研究基础上希望研究出一种高谐振频率、高量程、小体积、性能稳定的MEMS加速度传感器,并推广应用至轨道交通、风力发电等领域,为其安全运行提供技术保障,从而提高社会效益。

故障诊断与安全监测通常应用在高速旋转部件中,要求传感器的振动量程不小于±100gn,灵敏度误差不小于5 %,谐振频率大于15 kHz。

针对上述要求,在前期研究的基础上,提出了一种大量程、小体积、高带宽的蝶翼式振动加速度传感器。其采用四质量块全差分结构,相比传统的单扭结构、结构更对称,具有更高的检测灵敏度；同时采用双差分电容检测,电容极板完全对称,可以有效抑制环境噪声,抗干扰能力强,环境适应性好。

本文介绍了蝶翼式振动加速度传感器的设计与制造,包括敏感结构设计、振动加速计制造、性能测试等。

1 敏感结构设计

蝶翼式微加速度传感器敏感结构如图1(a)所示,主要包括敏感质量块、支撑梁、锚点、应力释放结构等。蝶翼式微加速度传感器工作原理如图1(b)所示。

图1 蝶翼式加速度计的敏感结构及其工作原理

当敏感结构受到面外加速度作用时,由于分布在支撑梁两侧的质量块质量不相等而导致所受的惯性力不均衡,质量块会绕支撑梁产生扭转。对于敏感质量块与检测电极构成的检测电容部分来说,检测电极位置固定且大小不变。即电容极板相对的有效正对面积不变,但质量块扭转过程中产生面外位移，则可以通过电容检测电路检测敏感结构与检测电极之间由于位移变化引起的电容变化,可以进而得到与检测电容呈正比关系的面外加速度的变化,从而实现加速度的检测。通过COMSOL有限元仿真分析软件得到该敏感结构的工作模态频率为15.6 kHz,可满足>15 kHz谐振频率的要求。

2 敏感结构制造工艺

蝶翼式微加速度传感器敏感结构的加工工艺分为硅敏感结构加工、电极结构加工、圆片级封装等。主要工艺流程如图2所示,具体包括：1)电极结构选用定制结构层厚度的绝缘体上硅(silicon-on-insulator,SOI)硅片；2)电极结构层进行第一次光刻,并刻蚀得到锚点结构；3)对电极结构层进行第二次光刻,得到电极图形；4)敏感结构选用定制结构层厚度的SOI硅片；5)采“硅—硅”低应力键合技术,将敏感结构层与电极结构层进行键合；6)键合后,去除敏感结构SOI圆片的衬底层和氧化层,并光刻、刻蚀得到凹槽结构；7)对敏感结构进行二次光刻,并刻蚀得到振动结构；8)封装盖帽选用双抛硅片；9)对盖帽结构进行光刻,并刻蚀得到封装腔体结构；10)将敏感结构和电极结构进行键合,完成结构封装。

图2 蝶翼式微加速度敏感结构主要工艺流程图

最终得到的蝶翼式加速度传感器敏感结构实物如图3所示。

图3 蝶翼式加速度计敏感结构实物图

3 信号检测与集成封装

信号检测主要包括两路对称的载波信号,循环伏安(cyclic voltammetry,CV)转换电路、开关解调电路、滤波放大电路等,如图4所示。

图4 信号检测原理框图

信号检测电路实物由两块电路板组成,敏感结构固定在电路板上,结构电极通过引线至电路板焊盘上,直接与CV转换电路相连,电路板之间通过压合连接。信号检测电路制作完成后,需要将电路板装入结构件进行集成封装,从而增加传感器的可靠性,同时便于后期的测试。

4 主要性能测试

为了验证蝶翼式加速度计传感器的性能,主要开展了以下测试：振动灵敏度测试、横向振动灵敏度测试、谐振频率测试等内容。

振动灵敏度测试：将传感器接入振动校准台,在振动台设置频率为80 Hz,加速度为1gn条件下,测量传感器振动灵敏度,要求灵敏度为40 mV/gn,误差不大于5 %(即38～42 mV/gn),测试结果如表1所示。

表1 灵敏度表

横向振动灵敏度测试：将传感器横向安装于振动台,并接入振动校准台,在振动台设置传感器频率为80 Hz，加速度为1gn条件下,测量传感器振动灵敏度,调节安装角度90°,重复上一步测试,要求横向振动灵敏度比误差不大于2 %,测试结果如表2所示。

表2 横向振动灵敏度表

谐振频率测试：将加速度传感器安装在冲击测试台上,输出用具有存储功能的示波器来捕捉。输出的最大频率就是其输出阻尼固有频率,用FFT捕捉谐振频率,要求谐振频率大于15 kHz,测试结果如表3所示。

表3 谐振频率表

从上表可以看出,传感器的谐振频率均在15.8～16.3 kHz之间,满足大于15 kHz的要求。

5 结 论

测试结果表明:通过合理的敏感结构设计、电路设计和加工工艺,可以制作满足振动量程大于等于±100gn、灵敏度误差小于等于5 %、谐振频率大于15 kHz的蝶翼式振动加速度传感器,本产品的成功研制为后期批量开发高量程、高谐振频率的振动加速度传感器提供了技术支撑。