微机械双轴电容式加速度传感器设计

进行的有限元分析主要包括静力分析和模态分析。静力分析主要是确定传感器结构的灵敏度和抗振强度;模态分析主要用于确定传感器的谐振频率。采用的敏感材料为普通单晶硅，硅的密度值为2.33×103 kg/m3，弹性模量为1.3×105MPa，泊松比为0.278。栅型条的长度为1 575μm，与铝电极之间的间距为5μm，栅型条的个数为44。图4为所建Ansys仿真模型。

表1为X轴和Y轴在不同加速度值作用下微位移的仿真结果。从表1中的数据可看出，在加速度值为1 g时，X轴与Y轴的微位移量相等。而在加速度值较大时，两轴向微位移量相差较小，基本可忽略，同时也验证了X轴和Y轴有相同的灵敏度。

根据表1中的数据和式(4)可计算出X和Y轴向的理论灵敏度值为1.533 pF/g。图5给出了X轴向的电容随加速度值变化关系图。其中，理论灵敏度和仿真得到的灵敏度之间存在误差，原因是未考虑边缘电容。

对该传感器结构进行前5阶模态分析，数据结果如图6所示。一阶频率和二阶频率相差较小，此时传感器结构的振型分别是围绕X轴和Y轴水平运动。后三阶振型则不是单纯的X、Y水平运动，所以得出水平X、Y轴的谐振频率为949 Hz。

4 传感器制作工艺

在该传感器的工艺制作过程中，所需的掩膜板有硅结构掩膜、铝电极结构掩膜和键合区结构掩膜3层，如图7所示。

图8所示为该栅型加速度传感器的制备工艺流程图。工艺步骤如下：图8(a)备片;准备一块双面抛光的硅片，厚度为5μm;图8(b)将硅片氧化，将键合区掩膜板放在硅片上光刻、腐蚀，为后续刻蚀悬空区做准备;图8(c)利用干法刻蚀制作悬空区;图8(d)完全腐蚀硅片上剩余的SiO2;图8(e)通过溅射工艺在硼酸玻璃上制作铝薄膜层;图8(f)利用铝电极掩膜板进行掩膜光刻、腐蚀，制作规定的铝电极和引线;图8(g)利用键合工艺将制备好的硼酸玻璃衬底和硅片键合;图8(h)利用磨薄工艺将硅片减薄;图8(i)最后利用硅结构掩膜板并结合DRIE刻蚀工艺，释放质量块结构;图8(j)为质量块释放后的加速度传感器结构。

5 阻尼特性分析

结合库埃特流模型和纳维-斯托克斯方程可得出，滑膜阻尼的阻尼系数为

式(8)中A、μ分别表示可动极板的面积与气体动态黏滞系数;标态下空气黏滞系数为1.82×105Pa·s，对于该加速度计而言;计算出的阻尼系数为8.6×102，敏感质量块的质量为1.23×10-7kg;支撑梁刚度为2.4×1012N·m-1;得出的阻尼比为0.83。根据传感器的理论模型动态特性分析，最优阻尼比为0.7，据此可通过该结构的尺寸进行优化。

6 结束语

利用微机械加工工艺，给出了一款双轴电容式加速度传感器，其结构关于水平对称，耦合度近似为零，制备工艺简单，且受到气体阻尼较小，故具有良好地动态特性。另外，还设计了保护限位装置。该加速度传感器的X、Y轴的静态灵敏度为0.253μm/g;电容灵敏度为1.533pF /g;X、Y轴向的谐振频率为949 Hz。仿真结果验证了该设计的可行性，并满足了所需设计的要求。