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传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies）
2018年第37卷第12期
DOI:10.13873/J.10009787 (2018)12004603
MEMS加速度计横尚输出抑制技术
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）
摘要：建立了微机电系统（MEMS)结构的力学模型，分析了横向输出产生的根本原因；基于压阻效应，充分利用对称结构和电桥的抵消作用抑制横向输出；利用MEMS体硅工艺制作了量程100g。的加速度芯片。讨论了加工、封装、测试过程中引人的敏感轴偏离，提出了解决方案。测试结果表明：样品横问灵敏度
比可以达到1%，能够满足国防、汽车、工业、消费电子等各领域的应用需求。关键词：微机电系统；加速度计；横向输出；对称结构
中图分类号：TP305.94
文献标识码：A
文章编号：1000-9787(2018)12-0046-03
Transverse output suppression technology of
MEMS accelerometer
LIU Zhi-hui, WANG Ming-wei, LI Yu-ling, TIAN Lei
(The 49th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001, China) Abstract: A micro-electro-mechanical system (MEMS) structure mechanical model is constructed, analyze on fundamental reason how the transverse output produced. Based on piezoresistive effect, take full advantage of symmetrical structure and bucking effect of the Wheatstone bridge to restrain transverse output. The 100 g, chip is fabricated using MEMS bulk micromachining process. Sensitive axis deviation brought in fabrication packaging, and testing is discussed, and solution is proposed. The sample test result shows transverse sensitivity ratio can reach 1 % ,which can meet application requirements in fields such as national defense, automobile, industry and consumer electronics.
Keywords: micro-electro-mechanical system( MEMS) ; accelerometer; transverse output; symmetrical structure
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"]。
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。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：随后出现了双赠固支结构，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
收稿日期：2018-10-08
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，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
八条敏感采组成，感方向（2轴）垂直于平面，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1，宽ws，高 hs。支撑梁的尺寸为：宽",，高hy。质量块长L,宽W,厚H 单晶硅的弹性模量E=1.7×10llPa，密度p=2328kg/m。重力加速度g。=9.8m/s*，压阻系数T44=80×10-1"Pa-，力敏电阻器长度为1，。