基于梁膜結(jié)構(gòu)的MEMS高g值加速度傳感器

李曉博，趙玉龍，程榮俊

(西安交通大學(xué)，機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安　710054)

0　引言

導(dǎo)彈、侵徹彈、火箭等武器攻擊目標(biāo)時(shí)，引信系統(tǒng)的激活與工作是通過(guò)撞擊目標(biāo)所產(chǎn)生的加速度決定的。侵徹武器的惡劣工作條件對(duì)引信系統(tǒng)中的加速度傳感器提出了高過(guò)載、快速響應(yīng)、高環(huán)境壓力、體積小、成本低等要求[1]。在武器侵徹過(guò)程中產(chǎn)生的加速度可達(dá)到數(shù)萬(wàn)至數(shù)十萬(wàn)個(gè)g，因此侵徹武器引信用加速度傳感器必須要有能承受高沖擊的結(jié)構(gòu)和足夠大的測(cè)量量程范圍，即量程需達(dá)到100 000g～200 000g[2]。

隨著國(guó)防技術(shù)與侵徹武器的不斷發(fā)展，對(duì)高g值加速度傳感器的性能要求也越來(lái)越高。國(guó)外在這方面已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究工作，并取得了一定的成果。美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制的高g值加速度傳感器量程可達(dá)50 000g．美國(guó)Endevco公司生產(chǎn)的高g值加速度傳感器最高量程可達(dá)200 000g[3]。國(guó)內(nèi)也有許多單位對(duì)高g值加速度傳感器進(jìn)行了研究，并且取得了一定的進(jìn)展。但目前還未見(jiàn)100 000g以上量程產(chǎn)品的公開(kāi)報(bào)道和相關(guān)工程應(yīng)用。鑒于其特殊的軍事應(yīng)用背景，獨(dú)立開(kāi)發(fā)研制我國(guó)自主技術(shù)的高g值加速度傳感器對(duì)于我國(guó)的國(guó)防事業(yè)具有重大意義。

針對(duì)侵徹武器引信系統(tǒng)對(duì)高g值加速度傳感器的測(cè)量性能需要，利用SOI硅片，以梁膜結(jié)構(gòu)為敏感元件，研制出一種MEMS高g值加速度傳感器，其設(shè)計(jì)量程為100 000g．對(duì)該傳感器工作原理及仿真分析進(jìn)行了論述，并給出了傳感器的加工工藝流程和性能測(cè)試結(jié)果。

1　傳感器設(shè)計(jì)

1．1傳感器的工作原理

保證高g值加速度傳感器具有優(yōu)良性能的第一步是設(shè)計(jì)具有較好性能的敏感元件，而用于制作敏感元件的材料選擇也是很重要的，這決定了傳感器靈敏度和測(cè)量精度等性能。綜合考慮，選擇了SOI硅片作為傳感器芯片的制作材料，SOI傳感器芯片具有長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性和較寬工作溫度范圍的特性，同時(shí)具有較高的測(cè)量靈敏度[4]。

硅微機(jī)械高g值加速度傳感器的工作原理大多采用壓阻式和電容式。壓阻式加速度傳感器制造工藝簡(jiǎn)單，線性度好，易配置后接放大電路，但其缺點(diǎn)是橫向靈敏度較大，溫度效應(yīng)大。電容式加速度傳感器靈敏度高，功耗低，溫度線性小，但其缺點(diǎn)是具有固有的非線性，雜散電容對(duì)測(cè)量影響大[5]。綜合各種考慮因素，研制的高g值加速度傳感器利用壓阻效應(yīng)導(dǎo)致的電阻變化來(lái)敏感外界加速度。

硅的壓阻效應(yīng)，即是當(dāng)外部加速度作用于傳感器上時(shí)，敏感梁結(jié)構(gòu)在慣性力的作用下發(fā)生變形、產(chǎn)生應(yīng)力。敏感梁上有4個(gè)通過(guò)硼離子注入形成的阻值完全相同的壓敏電阻，敏感梁的變形則會(huì)導(dǎo)致其電阻率的變化。引起的電阻(電阻率)變化如下式所示：

式中：π為壓阻系數(shù)；E為彈性模量；ε為應(yīng)變。

為了提高傳感器的輸出線性度、減小零點(diǎn)漂移，將4個(gè)阻值相同的壓敏電阻連接成惠斯登電橋，惠斯登電橋設(shè)計(jì)為全橋結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)量惠斯登電橋輸出的電壓值變化，便可得到待測(cè)加速度信號(hào)。

1．2傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于壓阻式高g值加速度傳感器，彈性元件最多采用的結(jié)構(gòu)是單懸臂梁、雙端固置梁、四邊四梁等結(jié)構(gòu)[6]。綜合分析各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以及設(shè)計(jì)要求，采用了十字梁與平膜結(jié)合的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱梁膜結(jié)構(gòu)。該高g值加速度傳感器芯片的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，膜的長(zhǎng)寬與十字梁的長(zhǎng)度相同，壓敏電阻對(duì)稱分布在十字梁的根部。該結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性可以有效地降低傳感器的橫向靈敏度，而且使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的同時(shí)提高了其抗過(guò)載能力[7]。

圖1　高g值加速度傳感器芯片的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在該傳感器芯片中，十字梁和膜不僅是用來(lái)感受變形、應(yīng)力的敏感彈性元件，同時(shí)也充當(dāng)了質(zhì)量塊的作用。由于梁膜結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，不可能像單懸臂梁一樣將芯片結(jié)構(gòu)的受力和頻率用公式表達(dá)，因此采用單一變量原則，使用軟件對(duì)等間隔選取的離散點(diǎn)逐一分析受力情況與固有頻率，對(duì)傳感器芯片結(jié)構(gòu)加載100 000g的加速度，得到了梁膜結(jié)構(gòu)的最大的應(yīng)力、固有頻率與十字梁長(zhǎng)度、十字梁厚度、膜厚度的關(guān)系圖，分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2　最大應(yīng)力、固有頻率與十字梁長(zhǎng)度關(guān)系圖

圖3　最大應(yīng)力、固有頻率與十字梁厚度關(guān)系圖

圖4　最大應(yīng)力、固有頻率與膜厚度關(guān)系圖

從圖2、圖3、圖4可以看到，傳感器芯片最大應(yīng)力與十字梁長(zhǎng)度、厚度呈正相關(guān)，與膜厚呈負(fù)相關(guān)；固有頻率與十字梁長(zhǎng)度呈負(fù)相關(guān)，與十字梁厚度、膜厚呈正相關(guān)。為了保證傳感器能安全工作，芯片結(jié)構(gòu)承受的最大應(yīng)力不得超過(guò)硅的許用應(yīng)力340 MPa；此外芯片結(jié)構(gòu)的固有頻率還必須要高于被測(cè)信號(hào)的3～5倍。根據(jù)上述分析，綜合考慮設(shè)計(jì)要求與加工工藝的限制，初步確定了芯片的結(jié)構(gòu)參數(shù)。傳感器芯片尺寸為3 mm×3 mm×0．4 mm；十字梁尺寸為1 000 μm×284 μm×20 μm；膜尺寸為1 000 μm×1 000 μm×40 μm．

2　傳感器的仿真分析

2．1靜態(tài)分析

采用ANSYS軟件對(duì)傳感器芯片進(jìn)行靜態(tài)仿真分析，在芯片工作方向加載過(guò)載加速度150 000g，分析芯片結(jié)構(gòu)的受力情況。如圖5所示。

圖5　150 000 g加速度加載下芯片應(yīng)力分布

從圖5可以看出，芯片結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為36．3 MPa，小于硅的許用應(yīng)力，因此該結(jié)構(gòu)的參數(shù)選取對(duì)傳感器芯片來(lái)說(shuō)是安全的，傳感器在設(shè)計(jì)量程內(nèi)可以安全工作。

2．2模態(tài)分析

模態(tài)分析可以確定結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型等參數(shù)，由此可以使設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)避免在工作時(shí)發(fā)生共振或以特定頻率進(jìn)行振動(dòng)。采用ANSYS軟件對(duì)傳感器芯片進(jìn)行模態(tài)仿真分析，如圖6所示。

(a)一階模態(tài)

(b)二階模態(tài)

(c)三階模態(tài)

(d)四階模態(tài)

(e)五階模態(tài)

(f)六階模態(tài)

通過(guò)對(duì)傳感器芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，確定了其一至六階的模態(tài)，計(jì)算出了各階的頻率，如表1所示。

表1　傳感器的各階頻率　kHz

對(duì)加速度傳感器來(lái)說(shuō)，如果被測(cè)加速度信號(hào)的頻率與其結(jié)構(gòu)固有頻率相近，那么傳感器結(jié)構(gòu)就有可能因共振會(huì)被破壞。從表1數(shù)據(jù)分析可得，傳感器的一階固有頻率為621．11 kHz，該頻率遠(yuǎn)高于一般的加速度信號(hào)，而且與其他各階工作模態(tài)頻率相距較遠(yuǎn)，滿足一般情況下固有頻率不小于20 kHz的設(shè)計(jì)要求[8]?？紤]到傳感器在封裝后可能因封裝材料的特性而導(dǎo)致固有頻率有所降低，設(shè)計(jì)的傳感器具有較高的固有頻率也是合理的[9]。由此證明該傳感器設(shè)計(jì)安全，能夠穩(wěn)定工作。

3　傳感器的加工及測(cè)試

3．1傳感器的加工與封裝

為提高高g值加速度傳感器在惡劣環(huán)境下的適應(yīng)能力，該傳感器采用SOI材料作為原始制作材料。傳感器芯片的工藝流程總共包括6張掩模板，結(jié)合光刻、感應(yīng)耦合等離子(ICP)刻蝕、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、KOH各向異性濕法腐蝕等加工技術(shù)，逐步制作出傳感器芯片。芯片上壓敏電阻采用硼離子注入工藝制作而成，硅片背面通過(guò)陽(yáng)極鍵合工藝將硅片與玻璃鍵合在一起。圖7為加工完成的傳感器芯片照片。

圖7　傳感器芯片實(shí)物圖

傳感器芯片加工完成后，需要對(duì)芯片進(jìn)行封裝，一方面配置連接相應(yīng)的電路用以輸出信號(hào)，另一方面可以保護(hù)傳感器芯片的正常工作。將傳感器芯片上的壓敏電阻引出的焊盤與設(shè)計(jì)的電路轉(zhuǎn)接板相連接，構(gòu)成惠斯登電橋，最后輸出4根引線，其中2根引線為給傳感器供電的正負(fù)輸入，另外2根引線用以輸出壓敏電阻因受加速度而發(fā)生電阻改變的信號(hào)。最后將傳感器芯片、電路轉(zhuǎn)接板一并封裝在用45號(hào)鋼制作的外殼里，這樣便可以有效地保護(hù)傳感器芯片在工作時(shí)不受到外界的直接物理接觸而發(fā)生損壞。如圖8所示為封裝好的傳感器。

圖8　傳感器封裝實(shí)物圖

3．2傳感器的測(cè)試結(jié)果

傳感器封裝好之后，需要對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定、測(cè)試，以評(píng)價(jià)分析傳感器的性能。由于傳感器芯片上的敏感結(jié)構(gòu)在感受到加速度信號(hào)時(shí)，發(fā)生的變形屬于微小變形，因此通過(guò)惠斯登電橋輸出的信號(hào)非常小，再伴隨著周圍環(huán)境的干擾信號(hào)，如果直接用儀器測(cè)量，可能觀測(cè)不到需要的信號(hào)[10]。因此設(shè)計(jì)了放大濾波電路對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理，先對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)為50倍，再將環(huán)境中的干擾信號(hào)濾掉，由此測(cè)得的信號(hào)將會(huì)比較準(zhǔn)確。

采用SY13-1A加速度沖擊臺(tái)對(duì)加速度傳感器進(jìn)行測(cè)試。將傳感器固定在沖擊臺(tái)面上，傳感器的4根線中，兩根線供以5 V直流電壓，另外2根連接放大濾波電路，最后與示波器的輸入端連接。隨著沖擊臺(tái)設(shè)定固定的高度，下落沖擊后示波器便可測(cè)量出加速度信號(hào)。當(dāng)沖擊臺(tái)設(shè)定高度為200 mm時(shí)，沖擊可以獲得10 164．56 g的加速度，圖9為沖擊臺(tái)設(shè)定高度為200 mm時(shí)示波器測(cè)得的信號(hào)，從圖中可以看出測(cè)得信號(hào)的峰值為1．0 V．多次測(cè)量取平均值，并選擇多個(gè)測(cè)量高度，對(duì)每個(gè)高度的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，使用MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，如圖10所示。

從圖9可以估算出被測(cè)信號(hào)的周期為40μs，則信號(hào)的頻率為25 kHz，遠(yuǎn)小于表1中使用ANSYS軟件進(jìn)行仿真分析時(shí)計(jì)算的傳感器的一階固有頻率621．11 kHz，這也

圖9　200 mm高度(10 164．56 g)下測(cè)得的加速度信號(hào)

圖10　加速度信號(hào)數(shù)據(jù)擬合曲線

驗(yàn)證了軟件仿真的正確與傳感器芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理安全。圖10中各數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合的直線方程為：

U=5.397 9×10-5·a+0.440 7

式中：U為輸出電壓，V；a為被測(cè)加速度，g．

通過(guò)計(jì)算得到高g值加速度傳感器的靈敏度為1．08 μV/g，線性度為1．163%。由于試驗(yàn)設(shè)備條件限制，無(wú)法在更高量程(50 000g)上對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試。將加速度沖擊臺(tái)提高到超出量程的高度進(jìn)行過(guò)載沖擊，得到曲線顯示被測(cè)信號(hào)峰值達(dá)到4．5 V，代入擬合的直線方程可以計(jì)算出，此時(shí)的加速度值為75 201．467g．該試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，加速度傳感器在75 201．467g的加速度沖擊下仍能正常工作，且成功測(cè)得了被測(cè)加速度信號(hào)。這證明該加速度傳感器具有良好的工作性能，可以有效地滿足侵徹武器使用、炮擊實(shí)驗(yàn)等高沖擊、強(qiáng)振動(dòng)等沖擊測(cè)試。

4　結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)并研制了一種具有梁膜結(jié)構(gòu)的高g值加速度傳感器，測(cè)試結(jié)果表明該高g值加速度傳感器具有較高的靈敏度和較好的線性度。

隨著科技的進(jìn)步與國(guó)防能力的提高，對(duì)侵徹武器引信系統(tǒng)用高g值加速度傳感器的需求與性能必將越來(lái)越高。該高g值加速度傳感器的研究工作及成果將對(duì)后續(xù)的研究工作起到的借鑒、支持的作用。

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