高灵敏度谐振式微加速度传感器的设计与制作*

涂 晟，王军波，商艳龙，陈德勇

(中国科学院电子学研究所，传感器国家重点实验室，北京 100190)

加速度传感器是惯性导航和振动监测的核心元件之一。微机械加速度传感器因其低功耗、小尺寸、响应快、易集成、可批量生产等特点［1］而得到广泛的研究和应用。基于微机械加工技术的谐振式加速度传感器，由于其输出为谐振频率信号，易于与后端数字电路匹配组成高精度的微机电测控系统，与电压电流等模拟输出信号相比，其性能主要受其机械结构和材料性能影响，电漂移及噪声对测量精度影响较小，具有更强的抗干扰性。与传统的压阻式、电容式加速度传感器相比，谐振式加速度传感器具有动态范围宽、测试精度高、准数字输出、线性度好、抗干扰性强等优点。

谐振式微机械加速度传感器自上个世纪80年代出现以来，涌现出以石英、单晶硅、多晶硅、扩散硅、氮化硅(SiNx)等不同材料谐振器的微加速度传感器，其中，基于石英的微机械谐振式加速度器已得到导航级的应用［2］。硅基谐振式微机械加速度传感器采用MEMS工艺加工而成，与基于石英的传感器相比，在制作成本上有着不可比拟的巨大优势，因此受到了诸多研究者的青睐［3－13］。97 年 Roessig等人设计和制作了一种灵敏度为45 Hz/gn的双端音叉谐振式加速度传感器［3］，06年通过表面微机械加工工艺，Susan X.P.Su等人提出的谐振式加速度传感器的灵敏度提高到 160 Hz/gn［5］，09 年 Claudia Comi等人将灵敏度进一步提高到450 Hz/gn［13］。但是现有的硅基传感器较石英基传感器输出稳定性差、灵敏度低，制约着其在惯性导航与高精度制导等高端领域的应用。……