单片集成的高性能压阻式三轴高g加速度计的设计、制造和测试

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1、第２８卷第９期半导体学报犞狅犾．２８犖狅．９２００７年９月犆犎犐犖犈犛犈犑犗犝犚犖犃犔犗犉犛犈犕犐犆犗犖犇犝犆犜犗犚犛犛犲狆．，２００７单片集成的高性能压阻式三轴高犵加速度计的设计、制造和测试董培涛１，２，２２１１２李昕欣张鲲吴学忠李圣怡封松林（１国防科技大学机电工程与自动化学院，长沙４１００７３）（２中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家重点实验室，上海２０００５０）摘要：设计、制造并测试了一种单片集成的压阻式高性能三轴高犵加速度计，量程可达１０５犵．狓和狔轴单元均采用一种带微梁的三梁质量块结构，狕轴单元采用

2、三梁双岛结构．与传统的单悬臂梁结构或者悬臂梁质量块结构相比，这两种结构均同时具有高灵敏度和高谐振频率的优点．采用犃犖犛犢犛软件进行了结构分析和优化设计．中间结构层主要制作工艺包括压阻集成工艺和双面犇犲犲狆犐犆犘刻蚀，并与玻璃衬底阳极键合和上层盖板犅犆犅键合形成可以塑封的三层结构，从而提高加速度计的可靠性．封装以后的加速度计采用落杆方法进行测试，三轴灵敏度分别为２２８，２３６和２５２μ犞／犵，谐振频率分别为３０９，３０２和１５６犽犎狕．利用东菱冲击试验台，采用比较校准法测得狔轴和狕轴加速度计的非线性度分别为１４％和

3、１８％．关键词：硅微机械加工技术；三轴加速度计；压阻；高犵；塑封犈犈犃犆犆：７２３０中图分类号：犜犘２１２文献标识码：犃文章编号：０２５３４１７７（２００７）０９１４８２０６不同的支撑梁或者支撑梁的不同位置扩散压阻器１引言件，分别实现不同轴向加速度的检测．由于三轴的检测是通过一个质量块耦合在一起的，因此存在较大基于硅微机械加工技术制作的加速度计具有体的交叉轴灵敏度，不容易对３个轴分别优化设计．三积小、重量轻、性能高和批量制作带来的成本低等优质量块的结构则是通过３个不同的单元分别检测３点，现在已经应用在很多测试场合，如

4、汽车安全气个轴向的加速度，这样就解决了轴间的耦合问题．对囊、碰撞测试、消费类电子产品、地震波检测、军用惯这种结构来说，３个单元之间的工艺兼容性是需要［１，２］性技术导航等．爆炸、冲击测试以及侵彻弹引信重点考虑的问题．是其中一种非常特殊的应用，需要检测的加速度可除加速度计本身可动部件的断裂外，封装结构［３～６］以高达几万犵甚至几十万犵，要求加速度计不损坏或者引线断裂也是造成高犵加速度计失效的［６］仅要具有高的灵敏度，还要具有高的谐振频率和较两个重要原因．塑封和灌封是两种有效的封装形大的带宽，从而可以快速准确地响应被测冲击加速式

5、，可以大大增加可靠性，提高加速度计的性［６，８］度．能．这就要求加速度计具有三层结构，即上层盖许多应用也会要求进行三轴测试，这可以通过板和下层衬底中间夹着结构层，保护加速度计的可两种途径来实现：一是将３个独立的加速度计安装动部分，使之与外部塑封或者灌封材料隔绝．在互相垂直的３个方向上；二是采用单片集成的三基于以上分析，本文开发了一种单片集成的高轴加速度计．对于第一种方案，不容易保证三轴之间性能压阻式三轴高犵加速度计，同时具有高灵敏度的安装精度，同时也存在体积大、成本高的缺点．第和高谐振频率的优点以及很小的非线性度，具体的二种

6、方案则具有由光刻工艺所带来的很高的轴间位设计、制造和测试过程如下．置精度，单片集成的三轴加速度计也具有成本低和体积小的优点．２设计单片集成的三轴压阻式加速度计主要有两种实［７］现结构：单质量块结构和三质量块结构．对于单质如图１所示，本文提出的三轴高犵加速度计采量块结构，几组支撑梁连接到一个惯性质量快上，在用硅硅玻璃键合的三层结构．加速度计的检测部通信作者．犈犿犪犻犾：狆犲犻狋犪狅犱狅狀犵＠犿犪犻犾．狊犻犿．犪犮．犮狀２００７０４０９收到２００７中国电子学会第９期董培涛等：单片集成的高性能压阻式三轴高犵加速度计的设

7、计、制造和测试１４８３图３微梁轴向变形示意图犉犻犵．３犃狓犻犪犾狊狋狉犲狋犮犺犲犱狋犻狀狔犫犲犪犿狊图１三轴高犵加速度计整体结构示意图犉犻犵．１犛犮犺犲犿犪狋犻犮狅犳狋犺犲狋狉犻犪狓犻犪犾犺犻犵犺犵犪犮犮犲犾犲狉狅犿犲狋犲狉动位移和绕悬臂梁末端的反方向转动位移．优化微分制作在中间硅层上，底层玻璃衬底和上层硅盖板梁与主悬臂梁之间的距离，就可以使这两个变形位一起保护中间结构层．检测部分如图２所示，狓，狔轴移互相抵消，从而使得微梁仅受轴向的拉伸或压缩单元采用带微梁的三梁质量块结构，互相垂直布变形．这样，检测用的两个压阻一个变大

8、，一个变小，置，狕轴单元采用三梁双岛结构．与传统的悬臂梁电桥的输出电压就反映了外部加速度的大小．微梁结构或者悬臂梁质量块结构相比，我们采用的这两的尺寸很小，仅为４μ犿×３０μ犿×５０μ犿，质量块的很种结构均具有高灵敏度、高谐振频率的优点．小的位移就可以在微梁中产生很大的应力，因此这种结