復(fù)合量程MEMS加速度計(jì)抗高過(guò)載的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

徐香菊，朱 杰 ，郭 濤 ，李文燕

(中北大學(xué)電子測(cè)試國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 0 30051)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，傳感器陣列的需求越來(lái)越高。在航空航天及武器系統(tǒng)中，加速度范圍廣，且要求傳感器向著多功能、小型輕量方向發(fā)展[1]。傳感器陣列不僅要滿(mǎn)足靈敏度、線性度等要求，還要求能抗高過(guò)載。復(fù)合量程加速度計(jì)利用MEMS工藝制造，覆蓋高低量程、低功耗、模塊化、通用化、體積小和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高等特點(diǎn)。而低量程傳感器模塊能否抗高過(guò)載環(huán)境，對(duì)復(fù)合量程微加速度計(jì)性能十分重要[2]。在抗沖擊試驗(yàn)中，低量程模塊比高量程更容易損壞。這說(shuō)明加速度計(jì)的抗高過(guò)載能力還需進(jìn)一步優(yōu)化。

1 理論

文中低量程加速度計(jì)的量程為10g，高量程為10000g。因結(jié)構(gòu)類(lèi)似，下面以低量程結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行介紹。低量程結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)分析選用雙端四梁結(jié)構(gòu)。在4根梁上分布8個(gè)電阻組成惠斯通電橋。當(dāng)加速度計(jì)受到Z方向的加速度時(shí)質(zhì)量塊上下震動(dòng)，分布在梁上的電阻由于壓阻效用會(huì)發(fā)生變化，電橋有電壓輸出。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

根據(jù)材料力學(xué)的理論推導(dǎo)相關(guān)公式如下:

圖1 低量程MEMS加速度計(jì)

結(jié)構(gòu)的第一階固有頻率:

梁根部或端部所受到的最大應(yīng)力為:

理論設(shè)計(jì)抗高過(guò)載能力為20000g。實(shí)際馬歇特錘沖擊試驗(yàn)中，由于是鋼對(duì)鋼的碰撞會(huì)產(chǎn)生高頻信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞加速度計(jì)(見(jiàn)圖2)。加速度計(jì)樣片在不到10000g的加速度沖擊下就出現(xiàn)了損壞現(xiàn)象，與理論值相差甚遠(yuǎn)。加速度計(jì)是兩層結(jié)構(gòu)，上面一層是硅質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，下面一層是玻璃蓋板保護(hù)結(jié)構(gòu)，質(zhì)量塊工作時(shí)在敏感方向上下活動(dòng)。隨著加速度g值的增大，質(zhì)量塊移動(dòng)到玻璃蓋板處時(shí)被限位向相反的方向彈出，由于質(zhì)量塊上面沒(méi)有保護(hù)結(jié)構(gòu)，使得質(zhì)量塊向上活動(dòng)更遠(yuǎn)的距離，當(dāng)g值增加到一定程度，質(zhì)量塊梁上的應(yīng)力達(dá)到硅的屈服極限時(shí)，梁根部或端部會(huì)產(chǎn)生脆性斷裂?？梢?jiàn)加速度計(jì)的抗過(guò)載能力還需進(jìn)一步優(yōu)化。

圖2 樣片損壞

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

針對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象，文中在原有基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖3 加速度計(jì)三層結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)仿真

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，底面設(shè)計(jì)

玻璃基地作為限位塊后，在添加硅蓋板前后施加20000g的加速度仿真結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4、圖5。

結(jié)構(gòu)單元如圖4所示，在不加任何保護(hù)措施下的最大應(yīng)力為9342MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了硅的屈服強(qiáng)度極限，加速度計(jì)結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞。結(jié)合加速度計(jì)的阻尼特性，綜合考慮將硅層質(zhì)量塊和玻璃層的距離設(shè)定為5μm，因此質(zhì)量塊的最大行程為5μm。計(jì)算的質(zhì)量塊的位移達(dá)到5μm時(shí)結(jié)構(gòu)外加的加速度載荷應(yīng)該達(dá)到457.6g。如圖5所示，在20000g的加速度作用下，靜態(tài)分析結(jié)果表明梁上的應(yīng)力最大值分別為213.742+6.042=219.784MPa，小于硅的許用應(yīng)力30MPa。仿真結(jié)果表明加速度計(jì)的三層結(jié)構(gòu)有很好的抗高過(guò)載能力。

2.2 結(jié)構(gòu)其它參數(shù)

圖6、圖7為ANSYS仿真下對(duì)結(jié)構(gòu)施加滿(mǎn)量程10g的加速度Z方向上的最大位移和最大等效應(yīng)力的仿真結(jié)果。從圖中可以看出加速度計(jì)的最大位移為0.175μm。增加蓋板后結(jié)構(gòu)不影響滿(mǎn)量程測(cè)量。

根據(jù)仿真結(jié)果提取路徑分析來(lái)確定壓阻結(jié)構(gòu)的擺放位置，從而計(jì)算出各結(jié)構(gòu)單元的理論靈敏度。優(yōu)化前后加速度計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 優(yōu)化前后加速度計(jì)參數(shù)對(duì)比

由表1中可以看出優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的靈敏度提高了一倍，固有頻率有所降低，但降低的幅度較小仍然能夠滿(mǎn)足低量程加速度計(jì)帶寬的要求，同時(shí)對(duì)加速度計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗高過(guò)載的設(shè)計(jì)，抗過(guò)載能力達(dá)到20000g。通過(guò)仿真驗(yàn)證了加速度計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

3 試驗(yàn)特性

對(duì)加工完成的傳感器進(jìn)行馬歇特錘試驗(yàn)(見(jiàn)圖8)，并與標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行比對(duì)，其中實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。

從圖9中可以看出是，加速度傳感器能很好的測(cè)量外界傳感器變化。在施加20000g時(shí)，傳感器結(jié)構(gòu)也未出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)具有很高的抗高過(guò)載能力。

圖8 馬歇特錘試驗(yàn)

圖9 某次沖擊下標(biāo)準(zhǔn)傳感器與被測(cè)傳感器的沖擊響應(yīng)曲線

4 總結(jié)

文中針對(duì)原有結(jié)構(gòu)的不足，提出的新的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)ANSYS仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出該結(jié)構(gòu)能很好的滿(mǎn)足高過(guò)載要求。高低量程結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。該設(shè)計(jì)具有可行性。

[1]王長(zhǎng)虹.陣列式硅壓力加速度傳感器研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2003.

[2]夏烈芳，郭濤，向婷.復(fù)合量程加速度計(jì)抗高過(guò)載技術(shù)的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23(3):359 －362.

[3]石云波，祁曉瑾，劉俊，等.微型高過(guò)載加速度傳感器的加工與測(cè)試[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44(9):200－204.

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