压阻式小量程SOI加速度敏感芯片设计与分析

杨宇新，揣荣岩，张 冰，李 新，张 贺

(沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110870)

0 引言

MEMS(微机电系统)加速度传感器因具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性高等优点，已被广泛应用于航空航天，汽车电子，生物医学和军事等各行各业[1-3]。随着MEMS技术的成熟，推动了加速度传感器向小量程方向的发展。小量程加速度传感器在建筑物健康监测、地质勘探和地震预警监测等应用中倍受关注[4]，如桥梁工程中，需要依靠小量程加速度传感器对桥梁的振动情况进行在线长期的监测[5]，从而衡量安全系数，为桥梁维护与维修提供依据。在这些应用领域，现阶段较多采用电容式加速度传感器，其优势在于灵敏度高，但是存在线性度差、工艺和接口电路复杂等缺点[6]，此外，小量程的加速度传感器在使用和保存过程中很容易发生过载损坏，过载能力问题也亟待解决。

针对电容式加速度传感器的不足，本文选用压阻式加速度敏感结构，同时，为弥补压阻式加速度传感器测量小信号精度低这一不足，采用SOI(绝缘体上硅)技术制作高质量单晶硅应变电阻，设计优化一种带有微梁和支撑梁的压阻式小量程加速度敏感芯片，既解决了普通“悬臂梁-质量块”结构中灵敏度与固有频率相互制约的矛盾[7]，又提高了敏感芯片抗冲击能力，同时兼有线性好、成本低的优势，可以实现对小信号的高精度、高分辨率测量。

1 加速度敏感结构

基于SOI技术设计的量程为0.1g的加速度敏感结构如图1所示，主要由敏感微梁、支撑梁、质量块和硅基框架构成，Z轴为其敏感方向。……