差分式MEMS面内加速度计设计*

董胜飞,石云波,3*,周智君,3,李 策,李 祥

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;2.中北大学电子测试技术国防科技重点实验室,太原 030051;3.中北大学仪器与电子学院,太原 030051)



差分式MEMS面内加速度计设计*

董胜飞1,2,石云波1,2,3*,周智君1,2,3,李 策1,2,李 祥1,3

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;2.中北大学电子测试技术国防科技重点实验室,太原 030051;3.中北大学仪器与电子学院,太原 030051)

设计了一种新型差分式大量程MEMS加速度计,实现了面内大过载信号的测试。首先利用MATLAB软件结合理论原理,设计了具体的结构参数,利用ANSYS有限元分析软件验证了结构设计的合理性。将本差分式MEMS面内加速度计结构用于集成三轴传感器,3个敏感质量块可以分别感应3个方向的加速度而不会相互影响,可以有效解决传感器体积大以及轴间交叉干扰的难题。

差分式;MEMS;面内加速度计;高量程

军事上各种弹丸侵彻硬目标以及大当量冲击波场爆炸威力过程中的三维动态加速度的参数评估测试越来越受到全世界范围内的重视,它对于战略武器的发展具有举足轻重的作用[1-3]。目前,测试三维加速主要有两种方法:第一,利用3个单独的单轴加速度传感器集成一个测试系统,这种方法虽然实现了三维加速度的测量,但是它体积较大且不能消除在安装过程所造的轴向安装误差;第二,利用三轴加速度传感器,但目前市场上,三轴压阻MEMS加速度传感器大部分是由单一质量块来感受三维加速度,这样就会造成较大的轴间干扰,严重影响测试效果[4-7]。因此,我们提出了一种由3个独立敏感质量块所组成的三轴传感器,3个敏感质量块可以分别感应3个方向的加速度而不会相互影响,可以有效解决传感器体积大以及轴间交叉干扰的难题。

然而,制造单片集成三独立质量块结构的传感器难点在于如何实现面内大量程加速信号的测试,其一方面要求有大的测试范围(10 000gn～200 000gn),另一方面又要保证传感器具有较大的频率响应[8-9]。针对实际需求,本文设计了一种新型大量程加速度传感器实现了面内大过载信号的测试。如图1所示,差分式MEMS面内加速度计包含有一对敏感质量块,每个质量块被一对对称的梁悬挂于外框上。梁的厚度和质量块的厚度相等,这样设计是为了消除三维横向效应。当受到外界加速度时,质量块会带动梁在受力方向上运动,使梁表面应力发生变化,根据硅的压阻效应,利用嵌入在梁上的压阻感应外界加速度的变化。设计的传感器量程为15万g,抗过载能力为20万g,具体的设计过程将会在下面部分详细论述。

1 原理分析

如图2所示,是传感器敏感单元的简化模型。由于梁的厚度和质量块厚度一样,造成质量块的质量与梁的质量相差不大,因此,质量块的变形和梁的质量对微结构的固有频率和表面应力造成的影响不能再忽略不计,所以在对单元结构进行分析时,必须考虑质量块的弯矩方程,同时将惯性力视为均布载荷。

图2 传感器敏感单元的简化模型

由图2,我们可以得到结构任意截面上的弯矩方程为:

(1)

式中q1,q2分别为梁、质量块上的均布载荷,X1为多余约束力。多余约束力利用材料力学中的正则方程可以得到。

结构的挠度方程[10]为:

(2)

边界方程为:

(3)

将边界条件方程(3)结合结构挠度方程(2),可求得结构的挠度方程y(x)。

梁的表面应力为:

(4)

由振动力学Rayleigh-Ritz可得,结构的一阶固有频率为:

(5)

2 传感器结构参数的设计

在设计过程中,我们在满足传感器的大量程要求的同时,必须要兼顾传感器具有较高的响应频率。与此同时,我们也要考虑湿法加工工艺的限制条件。本文利用MATLAB软件结合设计原理,分析了结构的表面应力和固有频率的影响因素,从而确定结构的参数。

如图3所示,当受到Y方向的加速时,随着梁宽度b1的增加,梁表面的应力将会减小,而结构的固有频率将会增加;为得到较大的灵敏度,梁表面的应力是越大越好,对应与梁宽度来说是越小越好,考虑到梁表面压阻的面积的大小以及互连引线布放,选取梁的宽度为40 μm。

图3 梁上应力和固有频率与梁宽b1的关系

如图4(a)所示,当传感器受到Y向的加速度时,芯片上梁表面的应力和固有频率与结构的厚度h无关,然而,如图4(b)所示,当传感器受到Z向的加速度时,随着h的增长,梁表面的应力减小,但固有频率增加。Z向受加速作用时,梁表面应力的减小有助于减小横向灵敏度;固有频率的增加,有助于提高结构的稳定性,因此梁的厚度h设计的大一点比较好,但是考虑到湿法腐蚀的工艺条件,腐蚀深度越大,成本越高,时间消耗越长,加工难度越大,综合考虑上述因素,确定h为100 μm。

图4 固有频率和应力与结构厚度h的关系

图5为传感器在Y向受到200 000gn加速度载荷时,结构的固有频率和梁表面应力与质量块宽度b2的关系图。由图5可知,b2增加,梁的表面应力增加。由文献[11]可知,经过双抛后的(100)硅片的断裂强度约为(330±50)MPa,而硅片经过多种工艺加工之后,其断裂强度会更低。因此,在设计过程中,为了保证器件在冲击环境下不损坏,应保证量程范围内结构应力不超过断了强度的1/3,因此选择b2为100 μm。

图5 固有频率和应力与质量块宽b2的关系

由于芯片的尺寸大小是确定的,所以当梁长a1减小,质量块长2a2的增加,反之依然。图6为a1、a2之和为500 μm一定时,梁表面应力和结构的固有频率与梁长a1的关系。为了保证器件实现最大灵敏度但有能够正常工作,我们最终确定梁的长度为300 μm。具体的传感器结构参数表1所示。

图6 固有频率和应力与梁长a1的关系

表1 传感器结构参数(单位:μm)

3 有限元仿真分析

在完成最初的设计后,需用ANSYS 12.0有限元软件对结构进行仿真验证。传感器设计的量程为150 000gn,当受到Y方向150 000gn的加速度载荷时,梁上的应力分布如图7所示,可以看见结构的最大的等效应力为77.9 MPa,最大位移为0.339 μm,小于硅的断裂强度。如图8可知,当受到Y方向200 000gn冲击加速载荷时,结构的最大等效应力为104 MPa,最大位移为0.452 μm,同样在硅的断裂强度范围之内,说明结构的抗过载能力能达到200 000gn。

图7 受到15万gn载荷时结构应力云图

模态分析可以用来分析结构的固有频率和振型,以及预测结构是否可以承受一定程度的加速度载荷。如果外界激励频率接近传感器的固有频率,会引起结构的共振,对结构的损害性较大。利用ANSYS 12.0有限元软件得到振型如图9所示,结果表2所列。

图8 受到20万gn载荷时结构应力云图

图9 传感器1阶到4阶振型

表2 模态分析结果

如图9所示,前两阶振型为平面内振动,因结构相同,所以一阶、二阶和三阶、四阶模态频率相同,同时,X、Y向检测单元结构的三、四阶模态远大于其一、二阶模态,这样传感器结构的设计有利于提高传感器的稳定性和抗干扰性。ANSYS仿真得到的结构一阶固有频率与理论计算的得到的固有频率接近,说明结构简化模型正确。

图10为结构应力表面沿路径S1的应力分布曲线。其中,SX为结构在该路径上所受X向应力,SY为结构在该路径上所受Y向应力,SZ为结构在该路径上所受Z向应力。从图中可以看出,该路径上的应力从外框边缘至梁根部,X方向拉应力起作用并逐渐增大,至梁根部拉应力达到最大值,此后开始减小至零,随后,压应力起作用,并逐渐增大,在距离质量块边缘时,压应力达到最大值,然后开始逐渐减小至质量块中心。整条路径上的应力变化趋势关于质量块中心对称。考虑到传感器线性度等问题,压阻位置应尽量布置在图中虚线所示的区域内,综合考虑,电阻布置在外边框20 μm处的线性区域内,长度为100 μm。

图10 传感器在150 000 gn载荷下结构应力分布

为了检测加速度,压敏电阻被有策略性的布放在梁的根部,如图11所示,在受到Y向加速度时,R1和R3在受到拉应力时,R2和R4将会承受压缩应力,这将导致4个电阻组成的惠斯通电桥有电压输出。但受到Z向加速度时,R1、R2、R3、R4的阻值变化相同,理论上惠斯通电桥输出为0,这样有利于减小传感器的横向灵敏度。

传感器的灵敏度可以表示为:

(6)

式中,π44硅的压阻系数,σx为梁压阻区所受到<110>向的平均应力,Vcc为惠斯通电桥的供给电压,a为结构受到的应力。利用ANSYS有限元分析软件可以得到传感器的灵敏度为0.311μV/g,Z、X向的横向灵敏度均小于10%。

图11 电阻布放位置

4 结论

本文设计了一种新型差分式大量程MEMS加速度计,实现面内测量大过载加速信号。相比单梁式结构设计,采用新型的差分式双梁结构,可以将传感器的灵敏度提高一倍,而同时保持优良的抗冲击特性[12-13]。利用MATLAB软件结合理论原理,设计了具体的结构参数,利用ANSYS有限元分析软件验证了该新型传感器设计的合理性。将两个相互正交的该型面内加速度计,与一个离面加速度计集成在同一芯片上,可实现由三独立敏感质量块所组成的三轴传感器,为实现单片集成三独立质量块结构的传感器奠定了基础。

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董胜飞(1989-),男,汉族,硕士研究生,主要从事MEMS传感器设计、测试等方面研究,dongshegnfei90@yeah.net;

石云波(1972-),男,中北大学副教授,目前主要从事MEMS、微惯性器件等方面的研究,参加了国防973、国家863、国家自然基金等多项科研项目,获得山西省技术发明一等奖1项、高等学校科学技术一等奖2项、国内发明专利4项、发表论文24篇,y.b.shi@126.com。

DesignofIn-PlaneDifferentialMEMSAccelerometer*

DONGShengfei1,2,SHIYunbo1,2,3*,ZHOUZhijun1,2,3,LICe1,2,LIXiang1,3

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement(North University of China),Ministry of Education,Taiyuan 030051,China;2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory(North University of China),Taiyuan 030051,China;3.School of Instrument and Electronics,North University of China,Taiyuan 030051,China)

A new kind of large range MEMS accelerometer,which can measure high overload was designed.The structural parameters were calculated by MATLAB,and the reliability of the structure was verified by ANSYS.This kind of MEMS accelerometer can be used on triaxial accelerometer device,with the advantage of mutual isolation.This can effectively solve the problem of big volume and Cross-interference between the axes.

differential;MEMS;in-plane accelerometer;large range

项目来源:国家“十二五”装备预研项目

2014-04-15修改日期:2014-06-09

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.07.008

TP212

:A

:1004-1699(2014)07-0893-05