高g值微机械加速度传感器的现状与发展米李世维1’2，王群书2，古仁红2，刘君华1(1西安交通大学电气：口呈学院西安；2西北核技术研究所西安)摘要：本文对用于侵彻武器和爆炸现场测量的高g值加速度传感器进行了四顾与展望。重点介绍了采用微机械工艺的高g值微加速度传感器。首先分析了目前几种新型压阻式和电容式高g值硅微机械加速度传感器的基本工作原理，主要技术指标和敏感元件的结构特点，讨论了几种用于制作高g值微加速度传感器的新型材料和工艺。最后总结了高g值微机械加速度传感器未来的发展趋势。关键词：加速度传感器；高g值；爆炸与冲击；微机械中图分类号：TP212文献标识码：A国家标准学科分类代码：460．4020Situation and trend of high-g micromachined accelerometerLiShiweil一，WangQunshu2，GuRenhon92，LiuJunhual(，School ofElectricialEngineering，Xi’an fiaotongUniversity，Xi’an，China；2NorthwestInstitute ofNuclearTechnology，Xi’an，China)Abstract：This paper provides a perspective review on the development of high g accelerometers，particularly the mi— cromachined ones，applied in the measurement of earth—penetrator weapons and explosive field．Some typical high g pi— ezoresistive and capacitive micromachined accelerometers are described，including their physical principles，perform— ance requirements and structures of the sensing elements．Several new materials used in the sensing elements of mi— cromachined accelerometers and their processing methods are discussed．Their future developments are envisioned．Key words：accelerometer；high—g；explosion and impact；micromachined1引言高g(g为重力加速度单位)是对高量程加速度传感器的统称，目前主要用于军事和航空航天等领域。随着近些年来侵彻武器的发展和对爆炸冲击现象研究的深入，对高g值加速度传感器的需求和要求也逐渐增高‘”1。高g值加速度传感器的工作环境一般比较恶劣，这对传感器的量程、频响和可靠性提出很高的要求。采用传统工艺的加速度传感器技术基本上已达到极限‘3 o，很难对其性能进行改善来满足高冲击测试的要求。而采用微机械收稿日期：2007-04ReceivedDate：2007-04+基金项目：国防预研基金()资助项日加工工艺的高g值加速度传感器，具有体积小、量程高、频响高、精度高、可靠性高和便于批量制造等优势，因此大多数的高g值加速度传感器都采用微机械加工工艺。2几种微机械高g值加速度传感器敏感元件的结构与技术指标从本质上讲，高g值加速度传感器是加速度传感器的一种，测量原理都是基于牛顿第二定律。在结构上大都是由弹性敏感元件、检测电路、壳体及辅助结构3部分组成。但是由于高g值加速度传感器特殊的用途，其结构与性能也有一些特点。第4期李世维等：高g值微机械加速度传感器的现状与发展8932．1微机械压阻式高g值加速度传感器压阻式传感器有着灵敏度高、结构和加工简单等特点，目前大部分的高g值微机械加速度传感器都采用压阻式。其最大优点是低频下限可以延伸至零频率，特别适合于对低频响应有要求的冲击测量。目前国内外已研制成功的压阻式高g值微机械加速度传感器主要有：(1)1995年加拿大Alberta微电子中心研制成功一种悬臂梁式硅微机械加速度传感器”。，其敏感单元结构与尺寸如图1所示。坐标系统与晶圆晶向图1传感器结构示意图一悬臂梁尺寸与应变电阻设置Fig．1Dimensions(mm)of the cantilever beam and the configuration of the piezoresistors该传感器设计量程为1×105 g，谐振频率约为107 kHz，实验测试在5V桥压激励下的灵敏度为0．72IxVg～。传感器采用硅微机械工艺在一块直径3英寸双面剖光的P型晶圆上异向外延生长一层厚度为4 um厚的n型硅薄膜，腐蚀掉P型硅后生成的单端悬臂梁结构，利用双面光刻掩膜在悬臂梁上用扩散的方法制作4个电阻构成惠斯通电桥。特点：敏感元件的悬臂支撑梁和质量块采用等厚结构，从而可以有效降低检测质量块的质量，提高传感器的频响，并简化制作丁艺。(2)美国ENDEVCO公司生产的7270A系列压阻式加速度传感器。5 o，其中的7270A一200K量程为2×1059，安装谐振频率最高约为1．2MHz，是目前已知加速度传感器中最高的。其外观和敏感单元的结构如图2所示。块图A系列传感器外观与敏感单元整体结构示意图Fig．2Appearance and monolithic silicon sensing element forEndevco model7270 aecelerometer该系列传感器采用双端悬臂梁的整体式结构，利用各向异性蚀刻技术和体微机械加工技术，在1 mm×1 mill尺寸的单晶硅片上制作了整体弹簧，并在平面硅片上按照图形渗入一定量的杂质，构成四臂压阻应变片的电桥系统，继而刻蚀沟槽，分离出应变电阻，原硅片剩余部分就作为传感器的质量块。特点：一是采用整体式的结构和极小的尺寸，单独分离制作的应变电阻使传感器的线性度、灵敏度都达到最佳值；二是传感器的检测质量很小，而悬臂梁的刚度很大，保证了传感器具有很大的强度一质量比，因此制作出的传感器固有频率很高。(3)上海微系统与信息技术研究所传感器技术国家重点实验室用体硅微机械技术(包括DRIE技术)制作了一种双等质量块的等宽薄板结构的冲击加速度传感器。6 o，结构如图3所示。图3双等质量块加速度传感器结构原理图Fig．3Schematic illustration of the twin—mass aeeelerometer理论分析与ANSYS仿真结果表明其最大量程为2×1059。冲击实验测试支撑梁(板)厚度为7．4¨m的传感器，激励桥压5V时，传感器冲击灵敏度为1．43 txVg～，固有频率优于200 kHz。特点：支撑梁(板)和质量块采用等宽的对称结构，保证传感器有很大的强度和刚度，从而传感器可以耐受很大的冲击且具有很高的固有频率，同时也简化了制作的工艺。(4)浙江大学与中科院上海微系统所研究设计的曲面过载保护微压阻式加速度传感器‘7 o，结构如图4所示。空槽电阻框保护曲面图4加速度传感器悬臂梁部分立体示意图Fig．43D structure of the cantilever of an accelerometer该传感器设计量程1×1059。敏感元件采用双悬臂梁对称分布的整体式结构，在悬臂梁的两个侧面通过硼扩散形成具有压阻效应的敏感电阻区域，在悬臂梁的外894仪器仪表学报第29卷面用深反应离子刻蚀工艺刻出过载保护曲面‘8…，这种保护曲面有别于传统的单点接触保护，而是使悬臂梁与保护曲面之间形成多点接触，能有效地提高悬臂梁过载保护的能力，同时能调节压膜阻尼，使加速度传感器的阻尼接近临界阻尼来抑制悬臂梁的自由振动模态。2．2微电容式高g值加速度传感器电容式传感器的优点是结构简单，分辨率高，并能在高温、强辐射和强烈的振动等恶劣条件下工作。(1)美国Sandia国家实验室利用表面微机械加工技术设计并制作了一种硅微机械电容式加速度传感器…，主要用于侵彻武器研究。其结构单元如图5所示。检测极板支撑梁参考极板支撑梁┏━━━┳━┳━┳━┳━┳━━━━━┳━━━┳━━━┳━━┳━━━━━┳━┳━┓┃ l┃┃┃┃┃┃┃I┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃ l┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃I*一┃X┃X‘┃C┃。*I┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃●●┃●┃●┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃IX┃X┃X┃C┃ZI┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃┃__-┃┃┃┣━━━╋━╋━╋━┻━╋━━━━━╋━━━╋━━━╋━━╋━━━━━╋━┻━┫┃┃┃┃┃┃X┃X┃‘┃┃┃┃┃┃┃┃●一_┃┃┃┃●-┃┃┃┃┃┃┃11,-┃X┃X┃t┃Xl┃┃┃┃┃┃┃IX┃X┃X┃C┃ZI┃┃┗━━━┻━┻━┻━━━┻━━━━━┻━━━┻━━━┻━━┻━━━━━┻━━━┛图5高g值微电容式加速度计敏感元件结构原理图Fig．5Schematic illustration of the sensing element for an integrated suspended mass high—g accelerometer传感器设计性能指标参数：量程约5×1049，分辨率为509，频率响应约127 kHz，阻尼系数约为0．4。该加速度计主要由结构单元和信号处理两部分组成，，并通过一种特定的工艺将二者集成在同一芯片上。结构单元采用14根(或12根)L型结构的支撑梁(悬臂梁)悬挂着一上面带有小孔的方形平板质量块。当质量块受到加速度作用时上、下平移，改变平板(动极板)与底部电极(定极板)构成的检测电容器的容量。L型结构支撑梁能够使检测电容的动极板在水平和垂直方向上具有一定的活动余量。垂直方向的余量提高了动极板在敏感方向的移动能力，水平方向的余量减少了多晶硅机械加工过程留下的残余应力，有利于提高加速度计的量程与精度。板上小孔用来调节传感器的阻尼比。(2)美国Draper实验室(TheCharriesStarkDraperLaboratoryInc．，CSDL)研制了“跷跷板”电容扭摆式系列微硅加速度计‘1…，原理图如图6所示。该系列传感器的最大量程为1×1059，采用开环工作方式，灵敏度为40．6IxVg～，线性度为96．9％。传感器采用扭杆支撑平板结构，敏感质量块(即“跷跷板”)相对扭杆支撑不对称，从而引起其惯性矩也不相等，信号器是平板与基片之间形成的一对差动电容测量。当受到垂直于平板的加速度作用时，质量块将绕着支撑梁扭转，平板倾斜，从而引起电容大小发生变化，相应的一对电容总是一个增大，一个减小，形成差动电容。测量差动电容值即可得到沿敏感轴输入的加速度值。图6电容扭摆式微机械加速度计敏感元件结构原理图Fig．6Schematic illustration of the monolithic sensing element for apendulous micromachined silicon capacitance—type accelerometer从以上叙述可以看到，这些高F值微机械加速度传感器：(1)在技术指标上都有很高的量程和高的谐振频率，这与其工作环境和测量信号的要求是相符合的；(2)在结构上都有自己独特的特点。压阻式的高g值传感器大多采用小尺寸整体式的双悬臂梁(板)或单悬臂梁结构。电容式的传感器采用支撑梁悬挂带有／J,孑L的质量块结构，所有这些设计都是为了保证传感器有很大的刚度系数和较小的检测质量，并与传感器的灵敏度之问保持适当的平衡；(3)将检测电路和敏感元件做在一块敏感材料上，为了进一步缩小传感器的整体尺寸，提高传感器的可靠性。3制作微机械高g值加速度传感器敏感元件的材料与工艺制作微机械加速度计的材料很多。由于硅材料良好的机械、电子特性、IC制造工艺的兼容性以及较为完善的加工工艺和手段，是目前制作高g值微加速度传感器使用得最广泛的材料。关于硅的力学、电学等特性以及硅微机械加工技术有很多文献进行论述。3’”。1“，在此就不一一叙述。高g值加速度传感器工作的现场除了有高过载的力学环境，同时还伴有高温(>500 qC)、高压和强的电磁环境(>18T)E2]，而硅材料的力学和物理性能限制了硅微机械高g值加速度传感器在一些高温、高压和强辐射方面的应用。为了解决上述问题，目前一方面采用一些新的技术，如绝缘体上的硅技术(Silicon on insulator，SOI)。1…，有效的降低PN结的漏电流，提高器件的工作温度，且由于SOI技术的隔离特性，使得SOI器件没有闩锁效应，因此对辐射敏感性较低，而且能继续延用较为成熟的硅微机械技术。另一方面，也开始尝试采用其他性能第4期李世维等：高g值微机械加速度传感器的现状与发展895更好的材料，作为制作高g值微加速度传感器的敏感材料，满足在一些比较恶劣的测试环境中的要求。这些材料包括：(1)碳化硅SiC与Si相比，在温度超过300 oC时，单晶SiC有更好的热机枕陛能，尽管SiC的应变系数比较低，但是它有更高的弹性模量，更高的熔点和电子禁带宽度，因此SiC器件具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和浓度等特点，使得它在军用和航天领域的高温、高频、抗辐射、大功率器件方面具有优越的应用价值，同时SiC也是一种用于制作高g值微加速度传感器的优良材料。文献[2]详述了用单晶6H—SiC作为敏感材料制作的高g值微加速度计。(2)半导体金刚石薄膜由于掺杂工艺得到较好的解决，近些年来半导体金刚石薄膜在电学方面取得了较大的进展。现已证实：掺杂金刚石薄膜可用于制作半导体器件，并有希望成为替代硅材料的新一代半导体材料，又由于它的优良特性，因而理论上可制作高可靠性、耐高温、抗辐射传感器件‘14邯3。金刚石是目前所知自然界中最硬的物质，显微硬度为100Gpa，杨氏模量1200Gpa，抗拉强度约为3Gpa。金刚石具有高的弹性模量和低摩擦系数的特点，其体弹性模量为440～590Gpa，摩擦系数为0．1。金刚石是所有材料中热导率最高的，在室温时，其值为10～20W／cm·K，为铜的5倍，为硅的15倍。此外，金刚石还是良好的绝缘体，其电阻率大于10”Q·em，击穿电压高于107V／cm，具有较小的介电常数，禁带宽度值大约为5．6 eV，仅次于立方氮化硼(6．6 eV)，因此即使在较高的温度下，电子从价带到导带的跃迁率也比较小，金刚石还有很高的电子、空穴迁移率，分别为2200 cm2／V·S和1600 em2／V·s。金刚石这些特性的实际应用受到天然金刚石的稀少和昂贵的限制。随着人们发现高质量的多晶金刚石薄膜(polyerystal— line diamond films，PDF)能够通过化学气相沉积(chemi— cal vapour deposit，CVD)技术制造，且特性类似于天然金刚石。而且与天然金刚石相比，可以掺杂，可制成大面积和复杂的形状。在制作传感器方面，CVD金刚石薄膜比SiC具有明显的优势，在温度473K时，CVD金刚石压阻灵敏度因子为700，而SiC的最大压阻灵敏度因子仅为30，且CVD金刚石薄膜的破坏应力高于硅3个数量级。因此金刚石薄膜能够制作成在高温(500～700 oC)、高频、高冲击、高功率或强辐射条件下稳定工作的高灵敏度传感器件。随着研究的进一步深入，CVD金刚石薄膜的制备方法和掺杂工艺的进一步成熟，文献[14]演示了使用新的技术制作的金刚石电阻用于应变测量的可行性，并在此基础上制作了基于多晶金刚石薄膜的压力传感器。理论上加速度传感器和压力传感器有相同的传递函数，敏感方式都可以采用压阻电桥式，因此完全可以利用金刚石的薄膜制作工艺、掺杂工艺和表面微机械工艺来制作高 g值的加速度传感器。4发展趋势综上所述，由于工作环境的特殊性，高g值加速度传感器，首先要有坚固的结构，能承受强烈的、高过载的力学冲击，而且要有较宽的测量范围，能正确地测量整个冲击过程中瞬时加速度的变化过程，其次加速度传感器要有耐高温、抗强电磁辐射的能力。针对这些要求，高g值加速度传感器有如下几个方面的发展：(1)传感器敏感元件的结构参数的优化和改进。根据已有高g值微加速度传感器的结构，对其各项参数进行合理的仿真、优化和改进，制作出比原结构性能更好的传感器。(2)采用物理、力学性能更好的敏感材料和工艺。如前所述采用SiC和多晶金刚石材料，甚至是准单晶金刚石薄膜，这些材料有很高的弹性模量和屈服强度，宽的电子禁带宽度，可以制作出量程和频响更高、抗电磁辐射更强的加速度传感器。但用这些材料制作传感器的加工工艺不如硅微机械加工技术成熟，如何利用这些材料制作传感器的微机械加工工艺，成为高g值加速度传感器发展的重点之一。(3)新的物理效应和敏感手段。18I。传感器技术发展很快，如微隧道电流式、微谐振式等新式传感器的出现，为传感器设计提供了新的思路，也为高g值加速度传感器的制作提供一个新的发展方向。5结论需求是发展的动力，也是研究的方向。正是由于这些需求，高g值微机械加速度传感器不仅在军事、航天领域具有重要的应用价值，在民用市场的发展前景也十分广阔。随着微电子技术、MEMS技术、传感器设计技术和材料技术的不断发展，高g值加速度传感器将会在现有产品和技术的基础上进一步的完善和提高。参考文献[1]DAVIESBR，MONTAGUES．High—g accelerometer for earth—penetrator weapons application[R]．SandiaRe— port，Sand98-0510·UC一810．[2]ATWELLAR，OKOJIERS．Simulation，fabrication and testing of bulk micro-·machined6H--SiC high·-g piezo—-

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