谐振式硅微机械加速度计研究进展

收稿日期： 2011—05—03
第 12 期
李 晶，等： 谐振式硅微机械加速度计研究进展
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2 μm 厚的多晶硅 MEMS 结构相比，该传感器使得偏轴灵敏 度大大降低，增强了惯性器件的鲁棒性，其信号处理电路采 用标准的 CMOS 制作工艺加工的电阻转换器与谐振器组成 整体的加速度计，这是 MEMS 加速度计加工工艺的一个重 大突破。Draper 实验室在微机械加速度研究方面一直处于 国际领先地位。2005 年，该实验室研制了一种平面内（ 侧 向） 硅微谐振式加速度计（ 如图 1 所示） ，其敏感元件主要 采用了静电驱动的振动音叉谐振器结构，谐振器一端与大 的硅质量块相连。当外界输入加速度作用于振动平面内 时，谐 振 器 受 到 沿 轴 向 的 载 荷 作 用，使 其 谐 振 频 率 发 生 改 变。谐振器的激振和检测通过硅梳齿驱动结构实现。该加 速度计主要应用于战术导弹，其标度因数为100 Hz / gn ，标度 因数稳定性为 3 × 10 － 6 ，零偏稳定性为 5 μgn 。该加速度计 采用 SoG（ silicon on glass） 工艺制备，传感器封装在陶瓷真 空封 装 管 壳 内，从 而 获 得 很 高 的 品 质 因 数 Q （ 典 型 值 ＞ 100 000） 。2006 年，韩国 Seoul National University 的 Hyeon Cheol Kim 等人采用真空封装及硅—玻璃阳极键合技术，以 单晶硅为材料，成功制作出一种高性能谐振式加速度计［5］， 如图 2 所示。该传感器垂直方向的加速度测量利用了静电 调节效应，通过加速度产生的惯性力改变弹性梁承受的静 电力，实现对弹性刚度系数的改变，从而引起谐振频率的变 化，其谐振梁谐振频率为 24 kHz，灵敏度为 128 Hz / gn ，可实 现为 5． 2 μgn 加速度的测量。
速度计，当沿 oy 方向的外部加速度作用时，质量块的惯性
力通过悬臂梁作用在音叉的轴向上，使音叉的固有频率发
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传感器与微系统
第 30 卷
杠杆臂
锚 检测质量悬架
双头音叉
锚
检测质量
锚
感知梳 驱动梳
导线 电极垫
图 4 北大设计的加速度计结构 Fig 4 Structure of accelerometer designed by
式、热对流式微机械加速度计已经产业化，电容式微机械加
速度计已有小批量的产品，美新半导体有限公司、北京青鸟
元芯微系统公司在微机械加速度计的产业化方面处于国内
领先地位。但 对 硅 微 谐 振 式 加 速 度 计 的 研 究 工 作 大 约 在
2000 年左右才开始，但也已取得不少研究成果，显示了很好
的发展前景。
北京大学微电子研究所贾玉斌等人于 2004 年按照图 4 所示结构采用体硅工艺加工制作的谐振式加速度计［8，9］，这
种加速度计由 1 个质量块、2 个谐振音叉和一套由锚点支撑
的弯曲杠杆系统组成，在实验室测试得： 加速度计灵敏度为
27． 3 Hz / gn ，分辨率为 167． 8 μgn 。 重庆大学［10］和中国工程物理研究院的何高法、何晓平
(a)%谐振器 (a)%resonator
(b)%梳状驱动 (b)%comb%actuator
图 1 硅微谐振式加速度计结构 Fig 1 Structure of the silicon resonant accelerometer
a
(a)%垂直方向加速度测量原理图 (a)%principle%diagram%of%acceleration% measurement%in%vertical%direction
工工艺制成的单轴谐振式加速度计由质量块、支撑梁、谐振
器、驱动检测平板等组成，谐振器为 2 个单谐振梁，每个谐
振梁的一端固定在基底上，另一端则连接在支撑梁上，该结
构使得传感器性能得到了很大提高。
检测质量
弹簧
加速度轴
弹簧 锚
驱动盘 敏感盘
2滋m
谐振梁
驱动与 敏感电极
外部的 加速度
谐振梁
弹簧长 d2 200滋m
accelerometer
LI Jing1，2 ，FAN Shang-chun2 ，LI Cheng2 ，YU Zhao-fa3
（ 1． School of Information and Communication Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China； 2． School of Instrumentation Science ＆ Optoelectronics Engineering，Beijing University of Aeronautics ＆ Astronautics，Beijing 100191，China； 3． Wuhan Ordnance Non-Commissioned officer Academy，Wuhan 430075，China）
谐振梁
惯性质量
(a)%谐振式加速度计的 SEM 图 (a)%SEM%picture%of%the%resonant%
accelerometer
弹簧
(b)%外部加速度输入对差分结构的影响 (b)%effect%of%external%acceleration%input%on%
the%differential%structure
Hale Waihona Puke Baidu
0引言 微机械加速度计的研究始于 20 世纪 70 年代初，始于
1977 年美国 Stanford 大学、加州大学 Berkley 分校和 Draper 实验室开始采用 MEMS 工艺制作硅微机械加速度计［1］。
谐振式加速度计可直接把加速度转换为频率输出。避 免了幅度测量的误差，不易受到环境噪声的干扰，通过检测 谐振频率变化量获取输入的加速度大小。作为硅微加速度 计中的一类，基于微电子机械技术工艺基础发展起来的硅 微谐振式加速度计具有体积小、重量轻、功耗低、测量精度 高、稳定性好、易批量生产、直接输出准数字量等优点，已成 为微传感器的一个重要发展方向。
3． 武汉军械士官学校 枪炮系，湖北 武汉 430075）
摘 要： 谐振式硅微机械加速度计作为一种新型的对加速度进行测量的传感器，是通过检测加速度施加
前后谐振敏感元件谐振频率变化实现对加速度检测的。该传感器具有频率信号输出、稳定性好、灵敏度
高、精度高等优点，己成为微传感器的重要发展方向之一。汇总了该传感器的国内外相关研究现状，并对
Peking University
生变化． 通过在音叉臂上扩散或淀积压敏电阻，就可以检测 音叉谐振频率的变化，从而获得外部加速度的情况。有限 元分析结果显示，传感器的灵敏度大约为 2 Hz / gn 。北京航 空航天大学于 2006 年研制出基于差动测试原理的谐振式 硅微机械加速度计。 2 传感器加工工艺现状
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传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
2011 年 第 30 卷 第 12 期
谐振式硅微机械加速度计研究进展
李 晶1，2 ，樊尚春2 ，李 成2 ，余朝发3
（ 1． 中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051； 2． 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191；
等人于 2009 年基于微机械技术制作工艺，采用柔性铰链机
构和双端固定音叉谐振器设计了微加速度计结构，经测试 得，灵敏度约为 55． 03 Hz / gn ，分辨力约为 182 × 10 － 6 gn 。天 津大学［11］精密测 试 技 术 及 仪 器 国 家 重 点 实 验 室 的 钟 莹 和
张国雄于 2002 年选用双端固定音叉作为谐振器设计了加
Abstract： The silicon resonant micro-electro-mechanical system（ MEMS） accelerometer is a new kind of sensor which is used to measure the acceleration by detecting the change of resonant frequency of the sensitive element． This kind of sensor has many advantages such as frequency signal output，high stability and sensitivity． The fabrication process is also introduced in detail． General research prospect is summarized． Key words： resonant MEMS accelerometer； resonant sensitive element； resonant frequency； sensitivity
图 3 意大利米兰理工大学设计的加速度计结构
Fig 3 Structure of accelerometer designed by Milan
Insititute of Technology
新加坡国立大学 Lin He 等人将 DETF 的两根谐振梁中
间连接在一起，从而保证两根粱的振动相位完全反相。加 速度计［7］的灵敏度可达 140 Hz / gn ，偏置稳定性 4 μgn ，分辨 率 20 μgn / Hz0． 5 。
加工工艺是 MEMS 器件实现的手段，是影响 MEMS 器 件研发的最重要因素。目前用于微机械加速度计的加工工 艺有： 表面硅微机械加工、体硅微机械加工、LIGA 技术、准 LIGA 技术和晶片键合技术［12］，随着 MEMS 工艺水平的提 高，体硅微机械加工工艺正逐渐成为微机械加速度计制作 的主流工艺［13，14］。表面硅微机械加工是利用薄膜淀积和腐 蚀技术在硅衬底表面制作微机械器件，它与集成电路（ IC） 工艺兼容，属于二维平面工艺，难以实现真正的三维设计。 表 面 硅 微 机 械 加 工 向 多 层 化、集 成 化 方 向 发 展，目 前 美 国 Sandia 国家实验室开发的五层多晶硅表面牺牲层工艺代表 了这一方向的最高水平，其工艺难点表现在化学机械抛光 技术（ CMP） 和多晶硅应力控制技术。体硅微机械加工是用 腐蚀剂选择性地去掉硅衬底的某些部分，制作出三维的微 机械器件。体硅微机械加工分为干法腐蚀和湿法腐蚀，干 法腐蚀为各向异性腐蚀，其分辨率高、腐蚀能力强，通常将 体硅微机械加工技术和晶片键合技术相结合制作微结构。 晶片键合技术是将两块固态材料直接粘在一起（ 不用粘接 剂） ，主要的键合形式是静电键合和熔融键合，常用的是硅 / 玻璃键合和硅 / 硅键合。SoI（ silicon on insulator） 技术是当 前体硅工艺发展的另一重要方向和研究热点，它利用两层 单晶硅之间的氧化硅层为牺牲层或隔离掩模，通过深刻蚀 和牺牲层腐蚀技术直接获得具有较大质量块的结构。同 时，SoI 技术能够实现 IC 和可动部件的集成制作。LIGA 技
(b)%DRXL 结构图 (b)%structure%diagram%of%DRXL
图 2 Seoul National University 设计的 DRXL Fig 2 DRXL designed by Seoul National University
意大利米兰理工大学的 Claudia Comi 等人于 2009 年设 计了一种高灵敏度单轴谐振式加速度计［6］，如图 3 所示。 其创新点是结构几何参数的优化设计使得加速度计的尺寸 非常小，灵敏度高达 430 Hz / gn 。该传感器是采用表面微加
近年来，美国、德国、日本、韩国、新加坡、中国等都在积 极进行微机械加速度计的研究［2～ 9］，不断尝试采用新的加 工方法、工作原理和结构来提高传感器的性能指标和降低
成本。目前的微机械加速度计产品大多是中低精度的，多 为模拟量输出，存 在 着 抗 干 扰 能 力 差、精 度 提 高 困 难 等 问 题，灵敏度、分辨率不能达到惯性级的要求。
近年来，依据谐振原理，利用表面微机械技术和体硅微 机械技术研制的 MEMS 加速度计屡见报道，国内外的各研 究单位也分别在其中一方面或几方面取得了研究成果。 1 国内外研究现状 1． 1 国外研究现状
国外对微机械加速度计的研究始于 20 世纪 70 年代， 最早进行研究的单位为美国 Stanford 大学、加州大学 Berkley 分校和 Draper 实验室等。加州大学 Berkeley 分校的研 究者 Su S X P 等人于 2003 年设计成功了一种两级微杠杆 谐振式加速度计［4］，其灵敏度达到 160 Hz / gn 。该加速度计 使用 单 晶 硅 材 料 制 作 ，与 AD 公 司 、Sandia 实 验 室 研 制 的
加工工艺进行了总结，讨论了谐振式硅微加速度计设计中的关键技术因素，并给出了未来的发展方向。
关键词： 谐振式微机械加速度计； 谐振敏感元件； 谐振频率； 灵敏度
中图分类号： TP 212
文献标识码： A
文章编号： 1000—9787（ 2011） 12—0004—04
Research progress of silicon resonant MEMS
1． 2 国内研究现状
国内对微机械 加 速 度 传 感 器 的 研 究 相 对 较 晚 ，起 始 于
20 世纪 80 年代末。主要研究单位有清华大学、北京大学、
重庆大学、天津大学、北京航空航天大学、南京航天航空大
学、东南大学、西安交通大学、中北大学、中国工程物理研究
院、中国电子科技集团 13 所、美新半导体有限公司等，压阻