微機(jī)械雙軸電容式加速度傳感器設(shè)計(jì)

沈文清，胡芳菲

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽合肥 230009)

電容式加速度傳感器主要包括檢測(cè)電路和敏感元件兩部分［1］。當(dāng)傳感器受到外界加速度作用時(shí)，會(huì)使敏感元件在某一方向上發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致電容值發(fā)生改變，再通過(guò)外圍處理電路達(dá)到測(cè)量加速度值的目的。

微電容式加速度傳感器常用的電容式結(jié)構(gòu)有兩種［2］:一種是梳齒型電容式結(jié)構(gòu);另一種是柵型電容式結(jié)構(gòu)。這兩種類型結(jié)構(gòu)的電容檢測(cè)方式有所不同，所以其性能在相等條件下也有差異。梳齒型傳感器是通過(guò)改變電容的極板間距來(lái)檢測(cè)加速度，而柵型結(jié)構(gòu)是通過(guò)改變電容的極板面積來(lái)檢測(cè)加速度［3］。在梳齒型結(jié)構(gòu)中，壓膜阻尼占主導(dǎo)因素，其由可動(dòng)極板相對(duì)固定極板的垂直方向運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生;而在柵型結(jié)構(gòu)中，滑膜阻尼占主導(dǎo)因素，其是由可動(dòng)極板相對(duì)固定極板的切向運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。根據(jù)傳感器的理論模型分析，阻尼對(duì)器件的性能影響不容忽視，阻尼越大，機(jī)械噪聲越小，品質(zhì)因素越高，動(dòng)態(tài)特性也就越好?；ぷ枘嵋话阈∮趬耗ぷ枘?，所以，在相同情況下，柵型結(jié)構(gòu)器件性能更好。

本文基于MEMS工藝設(shè)計(jì)了一款具有8個(gè)支撐梁的新型雙軸加速度傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)具有較小地氣體阻尼。另外，文中還通過(guò)Ansys軟件對(duì)器件的性能進(jìn)行了仿真，其結(jié)果驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該加速度傳感器由4個(gè)一字梁、4個(gè)回形支撐梁、X軸和Y軸向的敏感質(zhì)量塊、鋁電極和硼酸玻璃襯底組成。X軸和Y軸向的敏感質(zhì)量塊經(jīng)由一字梁和回行支撐梁固定在壓焊塊上。整體質(zhì)量塊劃分為4個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域上制作了一組柵型電極，這4組柵型電極均是檢測(cè)電容的可動(dòng)極板，其中X軸和Y軸方向上各有兩組。柵型電容的輸入引線、輸出引線、相互連接引線和固定鋁電極均制作在硼酸玻璃襯底上。設(shè)計(jì)的加速度傳感器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 加速度傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖中，淺色部分為鋁電極和引線;深灰色部分為質(zhì)量振子和彈性梁;黑色部分為錨點(diǎn);淺色部分為保護(hù)限位裝置。離敏感質(zhì)量塊的距離為15μm，用來(lái)避免加速度過(guò)大時(shí)，因可動(dòng)?xùn)判蜅l偏移寬度超過(guò)與其組成的差分電容的固定鋁電極寬度而引起的測(cè)量不準(zhǔn)確及結(jié)構(gòu)斷裂。

1.2 檢測(cè)原理及交叉干擾分析

圖2所示為X軸向電容檢測(cè)原理示意圖，圖2(a)為柵型可動(dòng)極板隨加速度變化的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2(b)所示為其等效電路。當(dāng)加速度在X軸水平方向上未受到外界加速度作用時(shí)，可動(dòng)?xùn)判蜅l保持在初始的平衡位置，當(dāng)在X軸方向上受到外界加速度作用時(shí)，敏感質(zhì)量塊將沿著水平面左右移動(dòng)，如圖2(a)所示，則柵型條與鋁電極間的覆蓋寬度發(fā)生了變化，隨之電極之間的電容值也有所改變。設(shè)可動(dòng)極板向右運(yùn)動(dòng)，則電容C1減少，此時(shí)，C2將增大相同量，從而實(shí)現(xiàn)了X軸向的差分檢測(cè)電容。

圖2 X軸向電容檢測(cè)原理示意圖

設(shè)柵型條極板的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，與鋁電極覆蓋寬度為W，可動(dòng)?xùn)判蜅l和鋁電極之間的間距為d，介電常數(shù)為ε;當(dāng)敏感質(zhì)量塊受到外界加速度作用時(shí)，設(shè)柵型條偏移的距離為ΔW，則變化后的電容值為［4］

差分電容的變化值為

根據(jù)式(3)，可得X軸向的電容靈敏度ΔCx為

式(4)中，n為X軸向的柵型條個(gè)數(shù)，n=44。由于Y軸向和X向的檢測(cè)單元與電容等效電路完全相同。因此，可知Y軸與X軸向的電容靈敏度相等，即ΔCy=ΔCx。

當(dāng)加速度傳感器受到平行于Y軸方向上的加速度作用時(shí)，從傳感器的結(jié)構(gòu)圖中可看出，Y軸向的檢測(cè)電容發(fā)生了變化因而有信號(hào)輸出，但X軸向的可動(dòng)?xùn)判蜅l和鋁電極之間的電容值并未發(fā)生改變，故X軸向的檢測(cè)單元沒(méi)有電信號(hào)輸出。當(dāng)加速度傳感器受到平行于X軸方向上的加速度作用時(shí)，同上分析，只有軸向的檢測(cè)單元有電信號(hào)輸出。故設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)解決了X、Y軸向間的交叉干擾問(wèn)題，其交叉耦合度近似為0［5－7］。

2 信號(hào)檢測(cè)電路測(cè)試原理

圖3為該加速度傳感器的檢測(cè)電路。該電路是利用電荷法來(lái)測(cè)量電容差值，當(dāng)有加速度時(shí)，差分電容的共同輸出端有電荷輸出，其輸出電荷值為(C1－C2)Vsin，因電容CP，所以電流不能流入到放大器的輸入端，為了差分電荷全流入到反饋電容Cf中，放大器將調(diào)整輸出電壓直到差分輸入電壓為零，結(jié)果寄生電容的兩端電壓也可視作為零，從而有效消除寄生電容的干擾。電路中，電阻的作用是給電路提供直流通道，保持電路正常工作，Vsin和－Vsin為兩路載波正弦信號(hào)，分別接到電容C1和C2上。

假設(shè)

圖3 敏感差分電容變化量C－V轉(zhuǎn)換電路圖

根據(jù)放大器的虛短和虛斷原理，可得到輸出端電壓V0為

式中，W0為載波信號(hào)的頻率，Vin為載波信號(hào)的幅值。

3 有限元分析及模擬驗(yàn)證

進(jìn)行的有限元分析主要包括靜力分析和模態(tài)分析。靜力分析主要是確定傳感器結(jié)構(gòu)的靈敏度和抗振強(qiáng)度;模態(tài)分析主要用于確定傳感器的諧振頻率。采用的敏感材料為普通單晶硅［8］，硅的密度值為2.33 ×103kg/m3，彈性模量為1.3×105MPa，泊松比為0.278。柵型條的長(zhǎng)度為1 575μm，與鋁電極之間的間距為5μm，柵型條的個(gè)數(shù)為44。圖4為所建Ansys仿真模型。

圖4 加速度仿真模型

表1為X軸和Y軸在不同加速度值作用下微位移的仿真結(jié)果。從表1中的數(shù)據(jù)可看出，在加速度值為1 g時(shí)，X軸與Y軸的微位移量相等。而在加速度值較大時(shí)，兩軸向微位移量相差較小，基本可忽略，同時(shí)也驗(yàn)證了X軸和Y軸有相同的靈敏度。

表1 X軸向和Y軸向位移變化示意圖

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)和式(4)可計(jì)算出X和Y軸向的理論靈敏度值為1.533 pF/g。圖5給出了X軸向的電容隨加速度值變化關(guān)系圖。其中，理論靈敏度和仿真得到的靈敏度之間存在誤差，原因是未考慮邊緣電容。

圖5 水平軸向加速度變化與電容值示意圖

對(duì)該傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行前5階模態(tài)分析，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。一階頻率和二階頻率相差較小，此時(shí)傳感器結(jié)構(gòu)的振型分別是圍繞X軸和Y軸水平運(yùn)動(dòng)。后三階振型則不是單純的X、Y水平運(yùn)動(dòng)，所以得出水平X、Y軸的諧振頻率為949 Hz。

圖6 模態(tài)分析結(jié)果

4 傳感器制作工藝

在該傳感器的工藝制作過(guò)程中，所需的掩膜板有硅結(jié)構(gòu)掩膜、鋁電極結(jié)構(gòu)掩膜和鍵合區(qū)結(jié)構(gòu)掩膜3層，如圖7所示。

圖7 掩膜板示意圖

圖8所示為該柵型加速度傳感器的制備工藝流程 圖。工藝步驟如下:圖8(a)備片;準(zhǔn)備一塊雙面拋光的硅片，厚度為5μm;圖8(b)將硅片氧化，將鍵合區(qū)掩膜板放在硅片上光刻、腐蝕，為后續(xù)刻蝕懸空區(qū)做準(zhǔn)備;圖8(c)利用干法刻蝕制作懸空區(qū);圖8(d)完全腐蝕硅片上剩余的SiO2;圖8(e)通過(guò)濺射工藝在硼酸玻璃上制作鋁薄膜層;圖8(f)利用鋁電極掩膜板進(jìn)行掩膜光刻、腐蝕，制作規(guī)定的鋁電極和引線;圖8(g)利用鍵合工藝將制備好的硼酸玻璃襯底和硅片鍵合;圖8(h)利用磨薄工藝將硅片減薄;圖8(i)最后利用硅結(jié)構(gòu)掩膜板并結(jié)合DRIE刻蝕工藝，釋放質(zhì)量塊結(jié)構(gòu);圖8(j)為質(zhì)量塊釋放后的加速度傳感器結(jié)構(gòu)。

圖8 傳感器制備工藝剖面流程圖

5 阻尼特性分析

結(jié)合庫(kù)埃特流模型和納維－斯托克斯方程可得出，滑膜阻尼的阻尼系數(shù)為［9］

式(8)中A、μ分別表示可動(dòng)極板的面積與氣體動(dòng)態(tài)黏滯系數(shù);標(biāo)態(tài)下空氣黏滯系數(shù)為1.82×105Pa·s，對(duì)于該加速度計(jì)而言;計(jì)算出的阻尼系數(shù)為8.6×102，敏感質(zhì)量塊的質(zhì)量為1.23×10－7kg;支撐梁剛度為2.4×1012N·m－1;得出的阻尼比為0.83。根據(jù)傳感器的理論模型動(dòng)態(tài)特性分析，最優(yōu)阻尼比為0.7，據(jù)此可通過(guò)該結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用微機(jī)械加工工藝，給出了一款雙軸電容式加速度傳感器，其結(jié)構(gòu)關(guān)于水平對(duì)稱，耦合度近似為零，制備工藝簡(jiǎn)單，且受到氣體阻尼較小，故具有良好地動(dòng)態(tài)特性［10－11］。另外，還設(shè)計(jì)了保護(hù)限位裝置。該加速度傳感器的X、Y軸的靜態(tài)靈敏度為0.253μm/g;電容靈敏度為1.533 pF/g;X、Y軸向的諧振頻率為949 Hz。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性，并滿足了所需設(shè)計(jì)的要求。

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