MEMS高G值加速度传感器设计

万方数据
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第２０卷第１６期 ２００８年８月
石云波，等：ＭＥＭＳ高Ｇ值加速度传感器设计
、，０１．２０Ｎｏ．１６ Ａｕｇ．，２００８
再忽略不计。所以在对微结构进行分析时，必须考虑质量块
的弯矩方程【３１。依照图２坐标，可以得到梁和质量块的弯矩
方程分别为
∞。（工）＝二三墨兰半＋等，硒≤』≤三（２） ∞·（Ｊ）：二墨娑＋黑，ｏ≤工铀
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石云波，等：ＭＥＭＳ高Ｇ值加速度传感器设计
Ｖｏｌ＿２０Ｎｏ．１６ Ａｕｇ．，２００８
一般在加速度传感器设计中要求其固有频率是工作频率的５ 倍以上【６，７１。利用ＡＮｓＹｓ中的模态分析模块对所设计高ｇ值加 速度传感器进行前三阶模态频率分析，从模态分析结果（如 图７所示），结构一阶固有频率为３３２．９Ⅺ七，远离低频段， 能够有效抗击常环境干扰，振型为主自由度ｚ方向上下回复 振动．机械原理符合设计思想，能够实现对加速度的测量。 二、三阶模态频率与一阶固有频率相差将近３００ｋＨｚ，振型 分别为质量块绕ｘ轴转动和绕ｙ轴转动，可以有效抑制交叉耦 合，使传感器工作稳定。但是仿真所反应最大位移为相对值， 无实际意义，有意义的只有固有频率和振动形式。由此还得 进行瞬态分析，从而确定结构对的载荷响应的最大位移。
中图分类号：ＴＰ２１２．９
文献标识码：Ａ
文章编号：ｌ００４．７３ｌｘ（２００８）１６－４３０６．０４
Ｄｅｓｉｇｎ Ｏｆ ＭＥＭＳ ｈｉｇｈ ＧＡｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｓｍ Ｙｕｎ．ｂｏ，ＱＩ ｘｉ∞．ｊ诹．ＬＩＵ Ｊｕｎ。ＭＥＮＧ Ｍｅｉ州
∞矗咄ｌＫｃｙＬａｂｏｍｔｏｒｙ矗）ｒＥｌｃｃ的面ｃＭｅ部ｕ砌印ｔＴ鼬ｎｏｌｏ肼Ｎｏｒｎｌｕ面ｖｅｆｓ时ｏｆｃｈｉｎａ，倒”锄０３００５ｌ，ｃｌｌｉｎａ）
图４（ａ）所示为阻尼比与梁长度和厚度的关系，梁越长， 阻尼比越大，梁越厚，阻尼比越小。图４（ｂ）所示为阻尼比与
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第２０卷第１６期 ２００８年８月
系统仿真学报
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图４阻尼比与结构尺寸的关系
背腔腐蚀槽边长和梁长度的关系，背腔腐蚀槽边长变化对阻 尼比影响较梁长度变化的影响较小，梁越长阻尼比越大。
ｏｆ ｔｈｅ ｓ臼１ｌｃｔＬｌｒｅ ｗ勰ｄｅｔｅ咖ｉｎｅｄ．Ｔｈｒｏｕ曲血ｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ也ｅ ｍｏｄｅｌ ｂｙ Ａｎｓｙｓ，ｔ｝屺ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ锄ｄ
ｓｎｌＪｃｔｕ坨ｃ柏ｂｅａｒ们ｎｓｉｅｌｌｔ抛ｃｋ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｆ沁ｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｍｅ ｆｉｒｓｔ ｍｏｄｅｌ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．ＩＩｌ ｔＩｌｅ ｅｎｄ，ｉｔ ｉｓ ｔｅｓｔｉ６ｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ
Ｉ上自劈■辖一草飞Ｉ 腐蚀达到（１１１）晶面自停止时的腐蚀深度。 Ｈ
ｃ２ Ｉ‘．＿可＋１
０
Ｌ
’
图２力学模型截面图
根据边界条件：
ｆ∞’（ｑ—ｏ）＝∞’（口ｌ＋ｏ）
｛∞（口ｌ—ｏ）＝∞（硒＋ｏ）
（３）
【∞（口ｌ＋口２／２）＝ｏ
可解得
ＭＭ＝：兰—迦—竺—兰一Ｊ‰Ｒ口＋Ｉ竺＋—：——生—！—！竺上—：—兰—Ｌ恳恳 （ｐ４Ｊ）
然后在结构上表面建立一条在ｘ方向贯穿整体结构的路 径。经ＡＮＳＹＳ分析可以得到结构在该路径上所受的ｘ方向应 力仃。及ｙ方向应力仃，，并可以看出结构上表面的应力分布
‰，＝５×三兰（盯：一仃＾）＝ｌｌｏ朋矿
则ｓ：输些出灵：敏黑度＿为ｏ．７３３Ⅳ矿／ｇ
口
１５００００９
２．２模态分析
在实际工程中，传感器固有频率的大小决定了工作频率 的范围，固有频率越高，其相应的工作频率范围也就越宽。
采用线性插值的。进入时间历程后处理器（ＰＯＳＴ２６），通 过计算得到敏感质量片端部的最大位移曲线如图８所示。
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２—２．８
３．６
Ｔ【ＭＥ
图８节点位移曲线
从图中可以看到，在该尺寸下，敏感质量片上在敏感轴 方向的最大位移为Ｏ．４ｌ岬１。基本满足性能要求。
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系统仿真学报＠ Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
、，ｏＬ ２０Ｎｏ．１６
Ａ哪，２００８
ＭＥＭＳ高Ｇ值加速度传感器设计
石云波，祁晓瑾，刘俊，孟美玉
（中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原０３００５１）
摘要：针对特殊场合的测试需求，设计了四端全固支的高ｇ值粱岛结构加速度传感器，结构中采
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｈｉｇｌｌ ２ ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｃｒ惭ｔｌｌ ｆｏｕｒ．ｔｅｎＩｌｉｎａｌ ｆｉｘｅｄ ｂｅ锄一ｉｓｌａｎｄ ｓｍｌｃｔｕｒｅ ｗａＬｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｍｅ ｐｕｒｐｏｓｅ
ｄ即脚Ｐｄ ｏｆ ｔｅｓｔｉｎｇ ｉｎ ｓｐｅｃｉａＩ ｄｅｍａｎｄ．７确ｅ ｗＰ垃而ｆ Ｄ，’聃已聊口船讲耐历Ｐ如伽ｃｅ ６Ｐｍ馏Ｂ＂珐Ｐ鲫ｆ盯Ｄ厂坍御ｓ口一ｄ ６印埘ｓ ｗＢ比６０咖 ６ｙ氐１）Ｈ Ｐ纪矗∥珐Ｐ ６４ｃ乐∥珐Ｐ朋础ｓ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ ｔ１１ｅ ｔｅｃｌｌｌｌｏＪｏ星防ｍｅ ｄｉｌｌｌｅｎｓｉｏｎ
２结构仿真 ２．１灵敏度分析
压阻布置连线情况如图ｌ（ａ）所示采用惠斯通全桥，取工 作电压％为５Ｖ，结合图６，当器件受到１５０，ｏｏＯｇ加速度时， 电桥输出为
根据表ｌ参数建立ＡＮＳＹＳ实体模型，设定有限元的单元 类型为ｓＯＬＩＤ４５；硅晶体材料的密度为２３３０ｋ∥Ⅱ１３，硅泊松 比为０．２８。在支撑区底部加全约束，给整体结构施加１５０，０００９ 敏感方向的惯性载荷后经解算，可以得到如图５所示应力分 布图【５】。
图１是一种新型的高量程压阻式加速度传感器，设计量 程为１５０，０００９。该结构粱的宽度和质量块的长宽均一致，压 阻对称放置于四梁根部，可以很好地抑制非对称性结构引起 的沿梁长度方向横向加速度的影响。利用ＫＯＨ溶液在质量 块背部开槽腐蚀，减轻质量块质量，且减小了质量块质心与 梁中心面的距离。从而使梁岛式结构与平膜式结构的优点得 到了有效的结合【ｚＪ。
（１）盯一≤２００膨％； （２），≥２５０Ｋ舷； （３）善≥ｏ．７０７。 考虑在加工过程中选用的硅片厚度为４００ｕｍ，在梁宽度 与质量块宽度相等的前提下，为保证经ＫＯＨ腐蚀后形成的
质鼍块背部的完整性，质量块尺寸不易小于１０００岬。若质
量块太小，由于ＫＯＨ腐蚀的各向异性，腐蚀深度越大，质 量块背部越容易形成倒锥形，难以得到理想的质量块：若减 小背腔腐蚀深度，则会使梁的厚度增大，对梁结构释放时的 ＩＣＰ刻蚀造成困难。所以本设计首先从工艺优化角度出发，
综合考虑取图３中曲面交点附近的参数值，确定梁长度 为６００叫ｌ。在此基础上结合图４确定粱厚度为８０ｐｍ，背腔腐
蚀开槽边长为４００岬，则当达到（１１１）自停止腐蚀时腐蚀 深度为２８２哪，由于实际加工时存在横向钻蚀，则实际深度 略大于２８２岬。根据上述优化流程，可以得到一组结构的优化
参数，如表１所示。
表ｌ结构优化参数表
图ｌ高ｇ值加速度传感器结构
１器件结构
１．１原理分析
收稿日期：２００７—０４一ｌｏ
惨回日期：２００７－０８一１８
基金项目：山西省青年学术带头人项目资助，教育部新世纪优秀人才基
金资助州ＣＥｌ加４－０２５９）．
作者简介：石云波（１９７２．）’男，山西垣曲人，硕士，讲师，研究方向为
艇Ｍｓ，微惯性技术。
对于这种四端固支的梁．岛微结构，因梁的厚度并非远 远小于质量块的厚度，而且梁的宽度与质量块相等，质量块 的变形和梁的质量对微结构的应力与频率造成的影响不能
用在质量块背部ＫｏＨ腐蚀的方法，战轻质量块质量，且战小质量块质心与梁中心面的相对距离。
利用力学计算与工艺相结合，确定了结构尺寸；通过Ａｎｓｙｓ软件对其进行应力分析、模态分析，得
到了结构的输出灵敏度与一阶固有频率；最后利用瞬态分析验证了该结构能够承受２０，０００９的瞬态
冲击，符合设计要求。
关键词：微机电系统；高ｇ值；加速度传感器；仿真
引言
高ｇ值ＭＥＭＳ加速度传感器设计用于苛刻的撞击、爆炸、 冲击场合的加速度测试。目前，国内外主要使用基于压阻原 理的加速度传感器来实现大加速度的测量【１１。典型的压阻式 加速度传感器结构主要分为两种：梁岛式和平膜式。梁岛式 结构灵敏度较高，但固有频率较难提高，且由于质量块质心 与梁的中心面位于不同平面，抗冲击能力较差，尤其当结构 承受横向加速度时，结构会因受到较大的扭矩发生扭转，造 成结构损坏；平膜式结构固有频率高，能有效地提高抗冲击 性能，且能承受更高的横向加速度，但由于没有相对质量块 的存在，应力集中区较小，灵敏度相对较低，且线性较差。
ｏｆ
ｕｓｉｎｇ船ｌｓｉ∞ｔ ２０，０００９
ｍｏｄｅｌ粕ａｌｙｓｉｓ．１ｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｍａｔ ｍｅ ｓ仇ＪｃｔＬｌｒｅ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｂｙ ｃ）币嘶ｍｅｎｔｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｉｎｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈ狮ｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）；ｈｉｇｌｌ ｇ；ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ；ｅｒｎｕＩａｔｉｏｎ
６（口ｌ厶＋詈ｍ
６（“：＋詈ｍ
其中，＾：盟，，：：！！（鱼±盟
‘
‘
１２
１２
将公式（４）代入（１）、（２），两次积分可得到梁与质量
块的位移函数。进而得到梁表面应力和频率方程：
仃（功＝詈岛ｄ（ｘ）
（５）
０．４２；ｐ为空气粘滞系数，取１．８×１０。１５ｋ∥ｎｌ／ｓ。
１．２参数优化设计
针对高ｇ值的加速度传感器，期望在得到较高可靠性的 同时，尽可能提高灵敏度，同时为了保证结构稳定性，设计 时还要保证足够的带宽和适当的阻尼比。首先根据设计指标 要求确定以下性能约束【４】：
（１）
一
ＥＩＩ
２Ｅｊ Ｌｍ。
‘
１。
２ＥＩ，
２Ｅ１１｛１‘１
式中：毋＝朋ｌ（口＋ｇ） 只＝，押２（口＋ｇ）
工＝口ｌ＋啦／２ ｊ＝啦一２（如一＾）／ｔａｌｌ日
缟＝÷ｔ柚９
珊＝ｐ硒啦＾
历２＝ｐ【（口；啊＋÷（如一鱼）（口；＋Ｊ２＋口２Ｊ））一÷ｗ２啊】
Ｐｌ、Ｐ２分别为梁和质量块上的作用力；Ｌ为质量块质心 到梁根部的距离；Ｍ为结构固定端处的弯矩；１１、１２分别为 梁和质量块的惯性矩；ｍ１、ｌｌｌ２分别为梁和质量块的质量；ｓ 为质量块底部边长；０为（１００）晶面与（１１１）晶面的夹角， 取５４．７４。：ｗ为质量块背腔腐蚀方槽边长；ｈ３为质量块背腔
‘ＰｏｓＴｌ＾Ｎ
涨。 ｓｌｒ旺１Ⅲ“ｏ００６ 一…
ＰＡＴＨＰＬｃｒｒ ㈨０”钔
计
６９４４１９０
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１３７５ ４５１ ．１６ ７３３
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（ｘ１０¨３） １２５
图６ １５０，０００９时，单梁上应力曲线
３结论
武器侵彻过程中参数测试需要解决许多复杂的技术问
』鼬∞。（工）２出＋』日ｚ∞１（ｘ）２出
，＝去 —Ｄ 旦————————Ｌ｛——————一
（６）
』ｐ口ｚ啊∞（工）２西ｒ＋』ｐ口ｚ如∞（ｘ）２出
｛：丝璺掣 阻尼比为； ７ ２ｄ切励２
（～７）
图３应力和固有频率与结构尺寸的关系
式中，ａ为所受加速度（ＩＩｌ，『ｓ２）；Ｅ为杨氏模量；ｄ为质量块 与下底板距离；ｅ为与质量块长和梁宽有关的系数，近似取
确定质量块尺寸，上表面边长为１０５０岬，厚为４００凹１。在
梁岛结构的加速度计设计中，参数对结构应力和频率的影响 是矛盾的。考虑器件对应力和固有频率的要求，可得到梁长 度和厚度的选择范围。如图３所示，梁长度增加，梁上最大 应力随之增大，结构灵敏度随之增大，固有频率随之降低。 而从随粱厚度不同的应力和频率曲线中可以看出，梁厚度增 加，梁上最大应力随之减小，结构灵敏度随之降低，固有频 率随之增大。
质量块（岬）
边长（ａ２） 厚度（ｈ２）
１０５０
４００
质量块底面槽（岬）
边长（ｗ）
深（ｈ３）
４００
２８２
图５结构表面应力分布
是基本对称的。进一步提取单梁上的应力曲线，如图６所示。
压敏电阻在某一单梁上的位置正是以此为依据布置的。避开
图６中曲线两端的非线性区域，根据结构上表面应力分布，
将四个压阻，放置在线性区域内，分别距梁根部５０ｕｍ。