高频高精度横向敏感加速度传感器及其封装应力隔离研究

Accelerometer with high resonant frequency and high measurement accuracy have been widely used in the fields like advanced intelligent equipment and ultra-high-speed weapons. Focused on the interactivity between resonant frequency and sensitivity and the interference on the measurement accuracy from packaging stress and geometrical inhere limitation, this project proposes a high-performance planar piezoresistive accelerometer with stress-isolation structure to solve these problems. The planar sensing structure with large geometrical constant(square of resonant frequency multiplying the ratio of structural maximum deformation to applied acceleration) is adopted to accomplish the coexistence of high frequency and high sensitivity in one device. The stress-isolation structure is adopted to separate the transducing element from outer frame of sensor chip, by which the transmitting path of packaging stress is obstructed to reduce its influence on sensor accuracy. Moreover, the cross-axis sensitivity can be diminished by good symmetry of planar structure. Linearity of structural deformation is also considered. By investigating the device structural design, fabrication and packaging of sensor chip and testing experiments, this project breakthroughs the key scientific problems involving the modelling and optimization for the sensor overall structure and compatibility between the high-frequency parameter and effectiveness of packaging stress isolation. Accomplishment of this project can provides the theoretical and technical foundation to the development of high-frequency and high-accuracy accelerometers, and can be an available approach for diminishing the interferential stress in the development of different sensors.

高频高精度加速度传感器在高端智能装备、超高速武器等领域具有广泛的应用前景。针对加速度传感器研发中存在的固有频率与灵敏度相互制约、测量精度受封装应力和结构自身特性影响的问题，本项目提出了一种具有封装应力隔离结构的横向敏感加速度传感器。以具有大结构常数(即固有频率的平方乘以结构最大变形与输入加速度的比值)的横向敏感结构使传感器兼具高固有频率和优良灵敏度；通过片上集成的隔离结构将压阻元件与芯片基体分隔以减小封装干扰应力对传感器精度的影响；保证结构对称性和变形线性度，减小传感器横向交叉干扰，提高传感器测量精度。项目通过对器件结构设计与优化、芯片制造与封装、性能测试与验证的研究，重点突破传感器高频化与封装应力高效隔离的共容及传感器全结构建模与优化两个关键科学问题，为高频高精度加速度传感器的研制打下理论和技术基础，为各类传感器研制过程中的干扰应力消减提供技术参考。

传感器作为现代信息技术的三大支柱技术之一，对“国防设施、重大工程和重要工业装备”的快速发展以及“工业升级、新兴产业布局”的实现有着重要的促进作用。加速度传感器作为当前最常用的敏感产品之一，已在汽车电子、工业自动化等领域获得广泛应用。针对高速智能制造装备等对高频高精度加速度传感器的需求，本项目对压阻式加速度传感器研制所涉及的主要问题进行了研究，提出了横向敏感结构加封装干扰应力结构的高性能传感器构建方案，并面向综合考虑传感器测量灵敏度、固有频率、横向交叉灵敏度的性能因数提升及特性热漂移消减对传感器结构各关键参数进行了详细设计与分析。研究中取得的主要成果如下：（1）详细分析了敏感结构及布局对压阻式传感器性能的影响规律，给出了提升传感器综合性能因数的可用方法，并依此设了多梁复合的传感器横向式敏感结构，在保证传感器灵敏度、提升传感器固有频率的同时，限制了传感器的横向交叉干扰加速度的作用；(2)溯源了压阻式传感器制造全周期中造成特性热漂移的主要因素，并就其影响方式和抑制方法进行了研究，确定了项目针对以封装干扰应力抑制的方案，构建了机械式封装应力隔离结构；详细设计、分析了传感器敏感结构和封装应力隔离结构，并在评估结构关键尺寸参数误差影响和识别关键工艺流程的基础上，修正了传感器结构布局，保证了传感器加工中敏感梁等关键尺寸的精度；（3）根据项目实际，制定了传感器制备工艺方案流程，绘制了各步骤所需掩膜版图，并给出了面向实验的封装方案，同时以常规加工方法制造了传感器初步样机，完成了其主要静态、动态性能的测试。项目执行期间共发表学术论文7篇（其中SCI期刊论文6篇，EI国际会议论文1篇），授权国家发明专利4项，培养研究生3人。相关研究成果在声学元件阵列封装中得到了初步应用，并获得英国Emerald出版集团年度高评价论文等奖项。