加速度传感器结构示意图（加速度传感器结构简图及原理）

【MEMS压阻加速度传感器背景简介】

MEMS ( micro-electronics mechanical system )压阻式加速度传感器具有体积小、易集成、功耗小、可靠性高、精度高以及易于利用标准的IC技术实现集成化等优点，随着半导体集成电路工艺的发展和微机械加工技术的成熟，MEMS压阻加速度传感器的研究也有了一定的技术突破和创新。

在压阻式加速度传感器的硅微结构中，惯性质量块是由悬臂梁支撑的,悬臂梁上制作有应变扩散电阻。当被测物体有加速度作用时，硅微结构会随之产生惯性力，悬臂梁在惯性力的作用下产生应力和弹性形变，悬臂梁上的扩散电阻则会产生压阻效应，如图1,可变的4个扩散电阻连接为wheatstone电桥，应变电阻通过电桥输出电压的变化，即可将加速度信号的检测转变为电信号输出。

加速度传感器结构示意图,加速度传感器结构简图及原理(1)

图1 压阻式加速度传感器的基本结构

【研究现状】

随着MEMS加速度传感器研究的深入以及实现工艺的多样性，其硅微结构种类日益繁多,除双悬臂梁结构形式外，还有双端支撑的4梁和5梁结构，前者灵敏度高但横向效应大，后者横向效应小但灵敏度较低,5梁结构灵敏度适中，且横向效应极小。在应用研究上，MEMS压阻式加速度传感器又增加了自检功能和集成CMOS电路，提高了稳定性和可靠性，测量方向也从单轴逐渐向多轴集成测量发展。因此，不同应用的MEMS加速度传感器层出不穷。

一）、寻找新的结构以提高其灵敏度和固有频率

由于加速度传感器的两个最重要的指标是固有频率和灵敏度,它们是相关联并矛盾的，即频率高则灵敏度低，频率低则灵敏度高。因此，从最早的悬臂梁结构到现在的3梁结构，开发者围绕着怎样保持器件灵敏度的同时使其具有较高固有频率而进行深入探究。

Hidetoshi Takahashi介绍了一种使用液环通道和压阻悬臂的角加速度传感器。由于使用了该原理的设备的简单结构和潜在的低功耗，作为角加速度的检测原理，流体旋转的检测已引起关注。尽管使用这种检测原理的现有角加速度传感器具有对围绕目标轴的角加速度的高灵敏度的潜力，但是串扰仍然是一个问题，特别是在围绕其他轴的角加速度和线性加速度的情况下的串扰。在这里，我们提出一种角加速度传感器，该传感器使用MEMS压阻悬臂作为传感元件和两个镜面对称的环形通道。这种镜像对称性抵消了由于围绕其他轴的加速度而产生的信号，绕目标轴的角加速度信号加倍。实验结果表明，对其他轴向角加速度和线性加速度的灵敏度足够小。角加速度的灵敏度高达3.1×10-4（rad / s 2）-1，类似于理论预测。灵敏度的值在0.1 Hz至100 Hz的频率范围内保持。因此，所提出的传感器适用于实际的角加速度检测应用。

加速度传感器结构示意图,加速度传感器结构简图及原理(2)

二）、减小横向灵敏度

传感器非敏感方向的干扰特性指标即为横向灵敏度比，它的大小直接影响传感器对加速度信号的测量精度，减少非敏感方向的横向干扰是MEMS压阻式加速度传感器研究中的难点。研究中采用计算机辅助设计技术进行结构参数优化，使各轴之间力的传递得到隔离,同时利用MEMS技术精密制作，使得机械结构带来的横向灵敏度比误差有效降低,使非敏感方向的干扰基本得到抑制。

三）、无人机的单片式多轴传感器

由于科学技术的发展和军事、商业市场的需求逐渐增强,双轴、3轴加速度传感器的研究逐步成为热点，最初，人们将2个或3个加速度传感器组合拼装，用于检测空间加速度，但拼装的结构存在稳定性差、适应范围小、横向灵敏度比大、装配困难等缺点。

Jingbo Xu提出了一种用于小型无人机的单片式多传感器。它由一个三轴压阻式加速度计，一个压阻式绝对压力传感器和一个硅热敏电阻温度传感器组成。加速度计的设计采用了四个硅梁来支撑地震质量和适当的压敏电阻器布置，以检测三轴加速度并大大降低了跨轴灵敏度。为了使应力对温度传感器的影响最小，热敏电阻沿[100]和[010]晶体方向设计。通过使用MEMS体微加工技术在SOI晶圆上制造多传感器。在制造中应用了一些有效的微加工步骤。在晶片背面上的两步湿法各向异性蚀刻工艺可以形成多传感器的整个背面形状。溅射在派热克斯玻璃上的金属电极可以避免在阳极键合过程中在派热克斯玻璃与地震物质之间发生粘连。多传感器的芯片尺寸为4×6×0.9mm3。测量结果表明，该多传感器适用于其应用领域。

加速度传感器结构示意图,加速度传感器结构简图及原理(3)

【存在的问题以及未来的发展趋势】

利用MEMS技术实现传感器的制作手段不断增强，但在相关研究方面还存在很多问题，有一些共性难题没有完全解决。如:如何减小硅微结构的迟滞和温漂，提高性能；如何寻找应变系数更大的材料，使加速度传感器具有相对较大的灵敏度；如何采用合理的结构实现结构在各方向解耦，实现对横向干扰的抑制等，分析近年来国内外的研究动态及热点,可以看出有以下几点发展趋势；

(1)高分辨率和大量程的压阻式加速度传感器(如500 ,1000 ,10000 g等)成为研究的重点；

(2)智能化补偿传感器,解决其固有的温漂、迟滞等；

(3)选择合理简洁的MEMS工艺,降低成本；

(4) MEMS压阻式加速度传感器电子封装技术的研究。

随着MEMS压阻式加速度传感器市场需求的扩大，MEMS工艺水平将得到提高，而且多晶硅、SiC作为压阻材料的应用,其研究进展将逐步增强。

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