摘要：目的——深入了解諧振式加速度計研究過程中的關鍵技術問題，為后續(xù)的研究工作和實踐應用提供指導。方法——通過收集大量資料及數(shù)據(jù)分析，論述MEMS諧振式加速度計的國內(nèi)外技術研究現(xiàn)狀，歸納并探討其在研究中所面臨的關鍵技術問題。結(jié)果與結(jié)論——針對MEMS諧振式加速度計的激勵與檢測電路、工藝誤差和封裝技術等關鍵技術，提出了集成化、石英微加工和新材料將是提高MEMS諧振式加速度計性能的必要途徑。

0引言

MEMS指由微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源等構(gòu)成的微型機電系統(tǒng)。MEMS加速度計的類型較多，主要有2大類：位移傳感和力傳感。位移傳感器是通過對質(zhì)量塊位移的測量來實現(xiàn)加速度的測量，可細分為電容測量式、電磁測量式等；力傳感是通過測量施加在可動質(zhì)量塊上的力來測量加速度的。諧振式加速度計從原理上屬于力傳感類。

諧振式加速度傳感器屬于典型的慣性器件，它是利用振梁的力與頻率的關系特性，諧振頻率的變化量與加速度成正比，加速度的大小是通過對諧振頻率的檢測得到的。MEMS諧振式加速度計主要包括質(zhì)量彈簧系統(tǒng)和微諧振器2個部分，其中，質(zhì)量彈簧系統(tǒng)負責感知外界的加速度，將慣性力施加于諧振器上引起諧振頻率發(fā)生變化，實現(xiàn)加速度信號的感知。微諧振器在傳感器中始終處于共振狀態(tài)，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)以較小的驅(qū)動力激勵較大的振幅，在保證器件性能的同時降低了功耗，同時較大的振幅也便于采用各種方式來檢測振動能量的變化，從而提高傳感器的感知能力；另一方面，有用的信號即共振頻率信號所攜帶的能量比其它信號所攜帶的能量更高，能夠降低其它非共振信號對傳感器的影響，提高傳感器的信噪比。

諧振式加速度計是微加速度計中的一類，它是以微電子機械技術工藝為基礎發(fā)展起來的，作為一種高性能器件，它的輸出為準數(shù)字量，具有體積小、功耗低等優(yōu)點，與同類器件相比它在穩(wěn)定性和測量精度方面具有很大的優(yōu)越性，且容易實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，其在航空航天慣性導航與制導、武器穩(wěn)姿穩(wěn)瞄、無人駕駛、智能裝備制造、地震檢測等方面對加速度傳感器精度有很高要求的高精尖領域都有著十分重要的應用價值，已成為微傳感器的一個重要發(fā)展方向。近年來基于諧振原理，利用微機械加工技術研制的MEMS諧振式加速度計得到廣泛報道，國內(nèi)外的各研究機構(gòu)也取得了一些研究成果。

本文介紹了MEMS諧振式加速度傳感器工作原理，闡述了MEMS諧振式加速度計技術的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，以綜合的角度歸納并探討了諧振式加速度計研究過程中的關鍵技術問題，在此基礎上提出其今后的主要發(fā)展趨勢，為后續(xù)的研究工作提供一定的借鑒。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外從20世紀70年代開始就對MEMS諧振式加速度計進行研究，其中美國加州大學Berkeley分校、韓國首爾國立大學和一些歐洲國家的研究機構(gòu)等是最早進行研究的單位。

硅諧振加速度計SOA（Silicon Oscillating Accelerometer）的概念于1997年首次由美國Draper實驗室提出，并先后研制出了SOA-1，SOA-2和SOA-3三代產(chǎn)品。前2代產(chǎn)品SOA-1，SOA-2僅僅通過增大質(zhì)量塊的質(zhì)量和降低懸臂梁的厚度來提高靈敏度，并未采用微杠桿力放大結(jié)構(gòu)，因此，效果十分有限。第3代產(chǎn)品SOA-3首次通過引入微杠桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了力的放大。從而SOA-3與SOA-2相比靈敏度有了很大的提高，由100Hz/g提高到197Hz/g，同時，可以減小質(zhì)量塊質(zhì)量和器件的尺寸，為加速度計的小型化提供空間。

Su SXP等人進行的研究表明，對于單級和多級的柔性微杠桿，影響放大倍數(shù)的主要因素有輸出梁的軸向和彎曲剛度，為了得到最大的慣性力放大倍數(shù)，需要支點梁具有高的軸向剛度和小彎曲剛度。Su SXP等人基于該理論采用SOI-MEMS（Silicon On Insulator-Micro Electromechanical System）加工工藝，將2級微杠桿機構(gòu)運用于加速度傳感器的設計中，完成了硅微諧振式加速度計的研制，其靈敏度達到了158Hz/g。另外，Ding H等人采用2級微杠桿結(jié)構(gòu)制作了微納諧振式加速度計，實驗測得通過優(yōu)化后2級放大結(jié)構(gòu)的放大倍數(shù)高達140倍，能夠顯著增大傳感器的靈敏度。

Seok S等人首次對基于靜電剛度變化的差分硅微諧振式加速度計進行了研究。Seok S等人以單晶硅為材料，運用真空封裝及硅——玻璃陽極鍵合技術，研制出一種高性能諧振式加速度計。該傳感器是基于靜電調(diào)節(jié)效應測量垂直方向的加速度，彈性梁承受的靜電力由于加速度產(chǎn)生的慣性力而發(fā)生變化，引起了彈性剛度系數(shù)的改變，從而改變了諧振頻率，實現(xiàn)了5.2μg加速度的測量，靈敏度可達128Hz/g。

Comi C等人設計了一種高靈敏度單軸諧振式加速度計，如圖1所示。該傳感器采用表面微加工工藝，由質(zhì)量塊、支撐梁、諧振器、驅(qū)動檢測平板等結(jié)構(gòu)組成，由于對結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)進行了優(yōu)化，該加速度計的尺寸很小，靈敏度可達430Hz/g。同時在靜電剛度變化研究方面，Comi C等人對Seok S的加速度計在理論上進一步進行了推導，對諧振器和整個系統(tǒng)的機械性能進行了研究，并對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。

圖1 基于單梁軸向應力的諧振加速度計

另外，基于石英材料的諧振式加速度計也是高精度加速度計技術的主要研究對象。由于石英材料壓電效應，品質(zhì)因數(shù)較高，溫度特性比較穩(wěn)定，一直受到研究機構(gòu)的關注和重視。法國航空航天研究院研制出了一種全石英振梁加速度計，如圖2（a）所示。其結(jié)構(gòu)采用了2級隔振機構(gòu)，工藝上采用了成本超低的濕式腐蝕工藝。該加速度計工作技術指標為：測量范圍為±100g，標度因數(shù)為24Hz/g，殘差為150μg，在-45~90℃溫度范圍內(nèi)的標度因數(shù)穩(wěn)定性小于10%，偏值穩(wěn)定性小于90μg。之后該公司又研制了適合微型化的差分式全石英振梁加速度計，其技術指標為：測量范圍為±100g，在溫度范圍-40~80℃內(nèi)標度因數(shù)為30Hz/g，殘差為2μg。

其后，該研究院又進行了創(chuàng)新，在前2款全石英加速度計的基礎上通過增加質(zhì)量塊的質(zhì)量和擴大放大倍數(shù)，研制了一種分辨率可達50ng的全石英振梁加速度計，其技術指標為：在-40~80℃溫度范圍內(nèi)工作時標度因數(shù)為440Hz/g，測量范圍為±10g，偏值穩(wěn)定性為0.1μg。2005年，ONERA為了提高加速度計的精度，有效地利用差分式結(jié)構(gòu)，制作出了一種差分一體式石英振梁加速度計樣機，如圖2（b）所示。

圖2 一體式石英振梁結(jié)構(gòu)圖

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相對于國外而言，國內(nèi)對微機械加速度傳感器的研究較晚，20世紀80年代末才開始相關的研究。主要研究單位有清華大學、北京大學、重慶大學、中國電子科技集團等十幾所知名院校和科研機構(gòu)。目前，微機械加速度傳感器發(fā)展非?？?，正在加快產(chǎn)業(yè)化。其中已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的有壓阻式和熱對流式加速度計，進入小批量生產(chǎn)的有電容式微機械加速度計，國內(nèi)許多企業(yè)諸如美新半導體有限公司、北京青鳥元芯微系統(tǒng)公司在這個領域的產(chǎn)業(yè)化方面已處在國內(nèi)領先地位。它們雖然對微諧振式加速度計的研究起步較晚，但研究成果豐碩，具有良好的發(fā)展前景。

鐘瑩等人以雙端固定的音叉作為諧振器設計了基于DETF（Double-ended Tuning Fork）的諧振加速度計，如圖3所示。當外部加速度沿oy方向作用時，音叉的軸向上會受到質(zhì)量塊的慣性力，引起音叉固有頻率的變化。在音叉臂上擴散或淀積壓敏電阻，用以獲取音叉諧振頻率，由此測出外部加速度的值，經(jīng)過分析該傳感器的靈敏度大約為2Hz/g。

圖3 基于DETF的諧振加速度計結(jié)構(gòu)圖

賈玉斌等人設計了由1個質(zhì)量塊、2個音叉和一套由錨點支撐的彎曲杠桿系統(tǒng)組成的諧振式加速度計，并采用體硅加工工藝制作了該加速度計，通過實驗室測試，該加速度計的靈敏度能夠達到27.3Hz/g，分辨率為167.8μg。

北京航空航天大學基于差動測試原理研制出了一種諧振式硅微機械加速度計；隨后設計了石英諧振器，分析了切型及切角對加速度計性能的影響，綜合運用理論分析和仿真手段，分析了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對標度因數(shù)的影響，仿真結(jié)果表明其在工作情況下的標度因數(shù)為40Hz/g。

基于微機械加工技術，何高法等人設計了一種由柔性鉸鏈機構(gòu)及雙端固定音叉諧振器構(gòu)成的微加速度計，通過實驗測試得，其靈敏度大約為55.03Hz/g，分辨力大約為182x10-6g。

LI Cun等報道了一種基于單個石英DETF的面外（z軸）諧振式加速度計。如圖4所示，它主要由鉸鏈、諧振梁、檢測質(zhì)量塊等器件組成，檢測質(zhì)量塊由2個撓性鉸鏈支撐，諧振DETF處于兩鉸鏈之間。諧振梁表面上放置電極，用來激發(fā)面內(nèi)對稱模態(tài)，使內(nèi)應力和扭矩達到平衡，并提高了高品質(zhì)因數(shù)。后來他們對原結(jié)構(gòu)進一步改進，由于石英和硅基底之間熱膨脹系數(shù)不同，為了減少熱誤差，增加了一個溫度隔離器，從而使熱膨脹系數(shù)不同而引起的熱應力影響變小。

圖4 基于單個石英DETF的諧振加速度計

2關鍵技術問題

雖然MEMS諧振式加速度計取得了一些成果，但是目前還存在許多技術問題需要進一步研究和改進，從3個方面進行探討：激勵與檢測電路、工藝誤差和封裝技術。

（1）激勵與檢測電路

激勵是指采用一定的方法將加速度傳感器中的諧振器激勵處于振動狀態(tài)，而檢測是指當加速度改變諧振器的頻率時需要采用有關的電路將諧振器振動頻率的變化讀出，作為傳感器的輸出。目前，采用硅材料的微諧振式加速度計工藝成熟、成本低，但它的主要問題在于硅本身沒有壓電特性，需要借助于靜電力、熱膨脹力、電磁力或者通過沉積其他壓電材料等各種手段來激勵諧振器振動。這些方式是采用閉環(huán)的電路方案來激勵和檢測諧振器的振動，雖然它能夠提高傳感器的帶寬、動態(tài)響應和線性度，但同時也容易引入噪音干擾，限制傳感器精度的進一步提高。另外，復雜的電路也會限制加速度傳感器與微陀螺、原子鐘等器件的微納集成。因此，研究高精度閉環(huán)式的激勵和檢測電路，優(yōu)化現(xiàn)有閉環(huán)電路中的不同環(huán)節(jié)，對降低傳感器的噪聲和提高傳感器的精度具有重要意義。

（2）工藝誤差

石英晶體作為天然的諧振器加工材料，具有硅材料所不具備的2個優(yōu)勢：固有的壓電特性和良好的諧振器材料特性，前者使諧振式加速度計易于激勵振動，后者保證傳感器具有高的品質(zhì)因數(shù)、低噪音和高精度。但是，相對于硅材料的微加工工藝來說，石英的微加工工藝還是處于早期的濕法腐蝕階段，加工方法單一、精度低。同時石英材料復雜的晶向結(jié)構(gòu)也導致濕法腐蝕很難加工出復雜的傳感器整體結(jié)構(gòu)，成品率難以控制導致成本較高。而感應耦合等離子體刻蝕ICP（Inductively Coupled Plasma）作為干法刻蝕工藝的一種，其具有刻蝕速率快、精度高、表面形貌好、選擇比高、各向異性好、均勻性好等優(yōu)點，是MEMS加工中的常用技術之一。開展基于ICP技術的石英深干法刻蝕工藝的研究，通過工藝的優(yōu)化，得到更深的刻蝕深度和更好的陡直度，對復雜結(jié)構(gòu)石英MEMS芯片的加工和石英諧振傳感器新結(jié)構(gòu)的開發(fā)具有重要意義。

（3）封裝技術

諧振式加速度計的封裝就是提供給傳感器芯片和測量電路PCB合適的與外界系統(tǒng)和媒質(zhì)的電連接、保護、支撐以及人機接口的方法或裝置。硅諧振式加速度計由于需要引入外部激勵，從而使加速度計的結(jié)構(gòu)和制作工藝十分復雜。同時，為了獲得較高的品質(zhì)因數(shù)，硅諧振式加速度計通常需要進行真空封裝，其難點在于封裝應力的降低和高真空度的長期穩(wěn)定保持。而石英諧振式加速度計通常需要與硅等基底進行組裝，這就難免會引入部分殘余應力，影響加速度計的性能。因此，研究諸如低溫直接鍵合技術和硅轉(zhuǎn)接板TSV（Through-Silicon-Via）通孔技術等先進的MEMS封裝技術，對器件的小型化、降低傳感器的殘余應力、提高品質(zhì)因數(shù)和工作可靠性都具有重要意義。

3發(fā)展趨勢

MEMS諧振式加速度計是采用MEMS工藝制作的具有頻率數(shù)字信號輸出的傳感器，不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，能夠直接被數(shù)字處理芯片接收從而可以簡化電路并提高精度。目前MEMS諧振式加速度計最主要的應用是與微陀螺、原子鐘等組成微型慣導集系統(tǒng)，集成定位、導航和授時的功能，具有較好的應用前景。針對MEMS諧振式加速度計在激勵與檢測電路、工藝誤差和封裝技術等方面存在的問題，研究者們正在進行不斷地研究與改進，本文對MEMS諧振式加速度計的發(fā)展趨勢提出3點展望：

（1）基于CMOS-MEMS工藝的諧振式加速度計是未來發(fā)展的一個重要方向。將MEMS諧振式加速度計芯片集成在CMOS控制芯片上能夠使傳感器的整體結(jié)構(gòu)體積更小，成本更低。利用硅轉(zhuǎn)接板TSV通孔技術對諧振式加速度計進行立體集成封裝，能夠有效減小器件的最短互連長度，降低MEMS結(jié)構(gòu)與CMOS控制芯片之間電傳輸焦耳損耗大和信號傳輸畸變等難題，同時可以減小器件尺寸，降低成本。

（2）基于QMEMS技術的諧振式加速度計將成為未來高精度和高品質(zhì)因數(shù)諧振式加速度計的首選。QMEMS技術主要采用石英晶體作為主體加工材料，與硅材料不同，石英晶體本身具有壓電特性，是非常好的諧振器加工材料。采用石英晶體加工的諧振式傳感器能夠方便地通過壓電特性進行激勵和檢測，有助于簡化傳感器的結(jié)構(gòu)，同時石英諧振器還具有高品質(zhì)因數(shù)等優(yōu)點。另外，也可以采用硅和石英材料結(jié)合的方案來設計MEMS諧振式加速度計，利用石英的逆壓電特性來制作諧振器，同時采用硅來加工質(zhì)量彈簧系統(tǒng)以實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的精細加工，充分結(jié)合2種材料的優(yōu)勢，從而提高加工精度，降低成本。

（3）基于新材料的諧振式加速度計是特種諧振式加速度計的發(fā)展方向。為了滿足航天、軍工等特殊工作環(huán)境下的高精度測量需要，對MEMS諧振式加速度傳感器的研究提出了新的挑戰(zhàn)和要求。隨著新材料的不斷發(fā)展，諧振器可以用SiC、SOI、SiN及聚合物等材料制作，為具有特殊性能的諧振式加速度計的設計制作提供了可能。已有研究表明，將SiC材料用于制作諧振式加速度計諧振器，它在抗沖擊、耐高溫等方面表現(xiàn)出了更加良好的性能。

4結(jié)束語

MEMS諧振式加速度計是采用MEMS工藝制作的具有頻率數(shù)字信號輸出的傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)加速度的數(shù)字化測量，具有精度高、響應快、動態(tài)范圍大等優(yōu)點，其在慣性導航系統(tǒng)、武器制導、無人飛行器/潛水器等領域具有廣泛的需求和應用。本文綜述了目前MEMS諧振式加速度計的國內(nèi)外技術研究現(xiàn)狀，在此基礎上探討了其研究所面臨的激勵與檢測電路、工藝誤差和封裝技術等關鍵技術問題，并提出了集成化、石英微加工和新材料將是今后MEMS諧振式加速度計的主要發(fā)展趨勢，對今后的研究工作具有定的借鑒意義。