基于梁膜结构的MEMS高g值加速度传感器

李晓博，赵玉龙，程荣俊

(西安交通大学，机械制造系统工程国家重点实验室，陕西西安　710054)

0　引言

导弹、侵彻弹、火箭等武器攻击目标时，引信系统的激活与工作是通过撞击目标所产生的加速度决定的。侵彻武器的恶劣工作条件对引信系统中的加速度传感器提出了高过载、快速响应、高环境压力、体积小、成本低等要求[1]。在武器侵彻过程中产生的加速度可达到数万至数十万个g，因此侵彻武器引信用加速度传感器必须要有能承受高冲击的结构和足够大的测量量程范围，即量程需达到100 000g～200 000g[2]。

随着国防技术与侵彻武器的不断发展，对高g值加速度传感器的性能要求也越来越高。国外在这方面已经进行了深入的研究工作，并取得了一定的成果。美国Sandia国家实验室研制的高g值加速度传感器量程可达50 000g．美国Endevco公司生产的高g值加速度传感器最高量程可达200 000g[3]。国内也有许多单位对高g值加速度传感器进行了研究，并且取得了一定的进展。但目前还未见100 000g以上量程产品的公开报道和相关工程应用。鉴于其特殊的军事应用背景，独立开发研制我国自主技术的高g值加速度传感器对于我国的国防事业具有重大意义。

针对侵彻武器引信系统对高g值加速度传感器的测量性能需要，利用SOI硅片，以梁膜结构为敏感元件，研制出一种MEMS高g值加速度传感器，其设计量程为100 000g．对该传感器工作原理及仿真分析进行了论述，并给出了传感器的加工工艺流程和性能测试结果。

1　传感器设计

1．1传感器的工作原理

保证高g值加速度传感器具有优良性能的第一步是设计具有较好性能的敏感元件，而用于制作敏感元件的材料选择也是很重要的，这决定了传感器灵敏度和测量精度等性能。综合考虑，选择了SOI硅片作为传感器芯片的制作材料，SOI传感器芯片具有长期工作稳定性和较宽工作温度范围的特性，同时具有较高的测量灵敏度[4]。

硅微机械高g值加速度传感器的工作原理大多采用压阻式和电容式。压阻式加速度传感器制造工艺简单，线性度好，易配置后接放大电路，但其缺点是横向灵敏度较大，温度效应大。电容式加速度传感器灵敏度高，功耗低，温度线性小，但其缺点是具有固有的非线性，杂散电容对测量影响大[5]。综合各种考虑因素，研制的高g值加速度传感器利用压阻效应导致的电阻变化来敏感外界加速度。

硅的压阻效应，即是当外部加速度作用于传感器上时，敏感梁结构在惯性力的作用下发生变形、产生应力。敏感梁上有4个通过硼离子注入形成的阻值完全相同的压敏电阻，敏感梁的变形则会导致其电阻率的变化。引起的电阻(电阻率)变化如下式所示：

式中：π为压阻系数；E为弹性模量；ε为应变。

为了提高传感器的输出线性度、减小零点漂移，将4个阻值相同的压敏电阻连接成惠斯登电桥，惠斯登电桥设计为全桥结构，通过测量惠斯登电桥输出的电压值变化，便可得到待测加速度信号。

1．2传感器结构设计

对于压阻式高g值加速度传感器，弹性元件最多采用的结构是单悬臂梁、双端固置梁、四边四梁等结构[6]。综合分析各种结构的优缺点以及设计要求，采用了十字梁与平膜结合的结构，简称梁膜结构。该高g值加速度传感器芯片的结构简图如图1所示，膜的长宽与十字梁的长度相同，压敏电阻对称分布在十字梁的根部。该结构的对称性可以有效地降低传感器的横向灵敏度，而且使结构更加稳定的同时提高了其抗过载能力[7]。

图1　高g值加速度传感器芯片的结构简图

在该传感器芯片中，十字梁和膜不仅是用来感受变形、应力的敏感弹性元件，同时也充当了质量块的作用。由于梁膜结构相对比较复杂，不可能像单悬臂梁一样将芯片结构的受力和频率用公式表达，因此采用单一变量原则，使用软件对等间隔选取的离散点逐一分析受力情况与固有频率，对传感器芯片结构加载100 000g的加速度，得到了梁膜结构的最大的应力、固有频率与十字梁长度、十字梁厚度、膜厚度的关系图，分别如图2、图3、图4所示。

图2　最大应力、固有频率与十字梁长度关系图

图3　最大应力、固有频率与十字梁厚度关系图

图4　最大应力、固有频率与膜厚度关系图

从图2、图3、图4可以看到，传感器芯片最大应力与十字梁长度、厚度呈正相关，与膜厚呈负相关；固有频率与十字梁长度呈负相关，与十字梁厚度、膜厚呈正相关。为了保证传感器能安全工作，芯片结构承受的最大应力不得超过硅的许用应力340 MPa；此外芯片结构的固有频率还必须要高于被测信号的3～5倍。根据上述分析，综合考虑设计要求与加工工艺的限制，初步确定了芯片的结构参数。传感器芯片尺寸为3 mm×3 mm×0．4 mm；十字梁尺寸为1 000 μm×284 μm×20 μm；膜尺寸为1 000 μm×1 000 μm×40 μm．

2　传感器的仿真分析

2．1静态分析

采用ANSYS软件对传感器芯片进行静态仿真分析，在芯片工作方向加载过载加速度150 000g，分析芯片结构的受力情况。如图5所示。

图5　150 000 g加速度加载下芯片应力分布

从图5可以看出，芯片结构的最大应力为36．3 MPa，小于硅的许用应力，因此该结构的参数选取对传感器芯片来说是安全的，传感器在设计量程内可以安全工作。

2．2模态分析

模态分析可以确定结构的固有频率、振型等参数，由此可以使设计结构避免在工作时发生共振或以特定频率进行振动。采用ANSYS软件对传感器芯片进行模态仿真分析，如图6所示。

(a)一阶模态

(b)二阶模态

(c)三阶模态

(d)四阶模态

(e)五阶模态

(f)六阶模态

通过对传感器芯片结构进行模态分析，确定了其一至六阶的模态，计算出了各阶的频率，如表1所示。

表1　传感器的各阶频率　kHz

对加速度传感器来说，如果被测加速度信号的频率与其结构固有频率相近，那么传感器结构就有可能因共振会被破坏。从表1数据分析可得，传感器的一阶固有频率为621．11 kHz，该频率远高于一般的加速度信号，而且与其他各阶工作模态频率相距较远，满足一般情况下固有频率不小于20 kHz的设计要求[8]。考虑到传感器在封装后可能因封装材料的特性而导致固有频率有所降低，设计的传感器具有较高的固有频率也是合理的[9]。由此证明该传感器设计安全，能够稳定工作。

3　传感器的加工及测试

3．1传感器的加工与封装

为提高高g值加速度传感器在恶劣环境下的适应能力，该传感器采用SOI材料作为原始制作材料。传感器芯片的工艺流程总共包括6张掩模板，结合光刻、感应耦合等离子(ICP)刻蚀、低压化学气相沉积(LPCVD)、KOH各向异性湿法腐蚀等加工技术，逐步制作出传感器芯片。芯片上压敏电阻采用硼离子注入工艺制作而成，硅片背面通过阳极键合工艺将硅片与玻璃键合在一起。图7为加工完成的传感器芯片照片。

图7　传感器芯片实物图

传感器芯片加工完成后，需要对芯片进行封装，一方面配置连接相应的电路用以输出信号，另一方面可以保护传感器芯片的正常工作。将传感器芯片上的压敏电阻引出的焊盘与设计的电路转接板相连接，构成惠斯登电桥，最后输出4根引线，其中2根引线为给传感器供电的正负输入，另外2根引线用以输出压敏电阻因受加速度而发生电阻改变的信号。最后将传感器芯片、电路转接板一并封装在用45号钢制作的外壳里，这样便可以有效地保护传感器芯片在工作时不受到外界的直接物理接触而发生损坏。如图8所示为封装好的传感器。

图8　传感器封装实物图

3．2传感器的测试结果

传感器封装好之后，需要对传感器进行标定、测试，以评价分析传感器的性能。由于传感器芯片上的敏感结构在感受到加速度信号时，发生的变形属于微小变形，因此通过惠斯登电桥输出的信号非常小，再伴随着周围环境的干扰信号，如果直接用仪器测量，可能观测不到需要的信号[10]。因此设计了放大滤波电路对传感器输出的信号进行处理，先对传感器输出的信号进行放大，放大倍数为50倍，再将环境中的干扰信号滤掉，由此测得的信号将会比较准确。

采用SY13-1A加速度冲击台对加速度传感器进行测试。将传感器固定在冲击台面上，传感器的4根线中，两根线供以5 V直流电压，另外2根连接放大滤波电路，最后与示波器的输入端连接。随着冲击台设定固定的高度，下落冲击后示波器便可测量出加速度信号。当冲击台设定高度为200 mm时，冲击可以获得10 164．56 g的加速度，图9为冲击台设定高度为200 mm时示波器测得的信号，从图中可以看出测得信号的峰值为1．0 V．多次测量取平均值，并选择多个测量高度，对每个高度的数据进行记录，使用MATLAB软件对数据进行线性拟合，如图10所示。

从图9可以估算出被测信号的周期为40μs，则信号的频率为25 kHz，远小于表1中使用ANSYS软件进行仿真分析时计算的传感器的一阶固有频率621．11 kHz，这也

图9　200 mm高度(10 164．56 g)下测得的加速度信号

图10　加速度信号数据拟合曲线

验证了软件仿真的正确与传感器芯片结构设计的合理安全。图10中各数据点拟合的直线方程为：

U=5.397 9×10-5·a+0.440 7

式中：U为输出电压，V；a为被测加速度，g．

通过计算得到高g值加速度传感器的灵敏度为1．08 μV/g，线性度为1．163%。由于试验设备条件限制，无法在更高量程(50 000g)上对传感器进行测试。将加速度冲击台提高到超出量程的高度进行过载冲击，得到曲线显示被测信号峰值达到4．5 V，代入拟合的直线方程可以计算出，此时的加速度值为75 201．467g．该试验数据表明，加速度传感器在75 201．467g的加速度冲击下仍能正常工作，且成功测得了被测加速度信号。这证明该加速度传感器具有良好的工作性能，可以有效地满足侵彻武器使用、炮击实验等高冲击、强振动等冲击测试。

4　结束语

设计并研制了一种具有梁膜结构的高g值加速度传感器，测试结果表明该高g值加速度传感器具有较高的灵敏度和较好的线性度。

随着科技的进步与国防能力的提高，对侵彻武器引信系统用高g值加速度传感器的需求与性能必将越来越高。该高g值加速度传感器的研究工作及成果将对后续的研究工作起到的借鉴、支持的作用。

参考文献：

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[2]ZHAO Y，，LI X B，LIANG J，et al．Design，fabrication and experiment of a MEMS piezoresistive high-g accelerometer．Journal of Mechanical Science and Technology，2013，27(3)：831-836．

[3]LI S W，WANG Q S，GU R H，et al．Situation and trend of high-g micromachined accelerometer．Chinese Journal of Scientific Instrument，2008，294(4)：892-896．

[4]徐敬波，赵玉龙，蒋庄德，等．基于SOI的集成硅微传感器芯片的制作．半导体学报，2007，28(2)：302-307．

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