適用于極端環(huán)境的MEMS傳感器研究進(jìn)展

張亮亮，胡騰江，李 村，趙玉龍

（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，西安 710049）

1 引 言

MEMS 傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來(lái)的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、精度高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、船舶、潛艇、兵器工業(yè)、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛、智能機(jī)器人、石油化工等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛[1-4]。MEMS 傳感器的優(yōu)勢(shì)使其能夠在高溫、高壓、高過(guò)載、高旋轉(zhuǎn)、油氣、腐蝕等極端環(huán)境中使用[5-7]。本文著重介紹適用于極端環(huán)境的大量程MEMS 高溫高壓傳感器、MEMS 高g值加速度傳感器和高精度石英諧振加速度傳感器。

2 大量程MEMS 高溫高壓傳感器

當(dāng)鉆井設(shè)備在油氣田深層地下持續(xù)作業(yè)時(shí)，針對(duì)井下高溫高壓環(huán)境下的壓力監(jiān)測(cè)成為當(dāng)前石化工業(yè)安全保障的重中之重。在油氣井連續(xù)作業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，穩(wěn)定可靠的壓力傳感器是安全生產(chǎn)的有力保障，壓力傳感器在設(shè)計(jì)之初應(yīng)首要注重其設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性。在穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上，提高壓力傳感器的綜合性能是石化行業(yè)生產(chǎn)的更高要求，傳感器的量程越大，測(cè)量靈敏度、線性度及精度等指標(biāo)越高，對(duì)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)的范圍越廣，準(zhǔn)確性就越高[8]。

針對(duì)油氣田井下高溫高壓環(huán)境的檢測(cè)需求，基于MEMS 微加工技術(shù)研制了大量程高溫高壓傳感器。研制的傳感器采用壓阻敏感機(jī)理和SOI技術(shù)。采用SOI 材料制成的集成電路具有寄生電容小、集成密度高、速度快、器件工作溫度范圍大、工藝簡(jiǎn)單、抗輻射性能高、短溝道效應(yīng)小等優(yōu)勢(shì)，且SIMOX 技術(shù)的引入解決了傳統(tǒng)體硅壓阻式傳感器芯片在高溫下因P-N 結(jié)漏電流增大而失效的問(wèn)題，適合高溫傳感器的制作[9-10]。

為了解決傳感器的大量程測(cè)量問(wèn)題，采用增加膜片厚度、縮小膜片尺寸、采用矩形厚膜結(jié)構(gòu)等思路設(shè)計(jì)了如圖1 所示的傳感器芯片。在所設(shè)計(jì)的壓力傳感器芯片中，傳感器的敏感膜結(jié)構(gòu)由位于芯片中心的矩形厚膜形成；膜上壓敏電阻采用中心排布的方式，電阻方向一致平行于矩形膜短邊方向排列；4 組橋臂壓敏電阻由金屬引線連接組成惠斯通電橋檢測(cè)電路。這種設(shè)計(jì)首先采用了矩形膜結(jié)構(gòu)以提高傳感器的承壓能力和輸出靈敏度；其次增加了膜片厚度，大幅提升了傳感器的耐壓能力，提高了測(cè)量量程與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖1 大量程MEMS 高溫高壓傳感器芯片設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design drawing of high temperature pressure sensor chip for wide measurement range

研究中選用了525 μm 厚度的SOI 結(jié)構(gòu)晶圓作為傳感器芯片加工的初始材料，所設(shè)計(jì)的傳感器芯片外尺寸為4000 μm×4000 μm×525 μm，矩形厚膜結(jié)構(gòu)的敏感單元尺寸為1000 μm×500 μm ×300 μm，腔體腐蝕傾角 54.7°，腔體底面尺寸818 μm×1318 μm。材料屬性：彈性模量為 1.3 ×1011Pa，泊松比為0.28。利用ANSYS 軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的傳感器芯片整體進(jìn)行有限元仿真得到的矩形膜片在150 MPa 壓強(qiáng)下的受力分析情況，由圖2 所示，傳感器芯片上的最大應(yīng)力出現(xiàn)在矩形膜片背腔長(zhǎng)邊側(cè)壁的中點(diǎn)處，最大應(yīng)力達(dá)到417 MPa，符合硅材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，同時(shí)符合傳感器耐壓621 MPa 的設(shè)計(jì)。傳感器芯片正表面上的最大應(yīng)力達(dá)到155.3 MPa，芯片整體產(chǎn)生的最大撓度為1.391 μm。

圖2 大量程MEMS 高溫高壓傳感器芯片有限元仿真圖Fig.2 Finite element simulation of high temperature pressure sensor for wide measurement range

加工的大量程MEMS 高溫高壓傳感器芯片實(shí)物圖如圖3 所示。將矩形膜結(jié)構(gòu)與厚膜結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路在提升傳感器測(cè)量量程的同時(shí)， 大幅提高傳感器測(cè)量靈敏度，以達(dá)到耐高壓壓力傳感器的設(shè)計(jì)要求[11]。

圖3 大量程MEMS 高溫高壓傳感器芯片實(shí)物圖Fig.3 Physical pictures of high temperature pressure sensor chips for wide measurement range

對(duì)所采用的壓阻式傳感器的壓阻效應(yīng)受溫度變化影響較大的特點(diǎn)，采用了SOI 結(jié)構(gòu)硅片和復(fù)合型梁式引線技術(shù)及隔離封裝結(jié)構(gòu)，解決了壓阻式壓力傳感器在高溫環(huán)境下工作失效的問(wèn)題。測(cè)試實(shí)驗(yàn)所采用的壓力源為CW-2500T 型活塞式壓力計(jì)，供電采用3 mA 恒流源供電，將傳感器在高溫恒溫箱中加熱至200 ℃并保持1 h 后，對(duì)傳感器進(jìn)行打壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試壓力范圍為 0～ 150 MPa。傳感器的輸出特性曲線如圖4 所示，表1 為實(shí)際測(cè)試結(jié)果，經(jīng)過(guò)計(jì)算，線性度誤差0.13%FS；輸出靈敏度為1.12 mV/MPa[12]。

圖4 大量程MEMS 高溫高壓傳感器測(cè)試結(jié)果Fig.4 Testing results of high temperature pressure sensor for wide measurement range

表1 大量程MEMS 高溫高壓傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Testing data of high temperature pressure sensor for wide measurement range

本課題組研制的大量程MEMS 高溫高壓傳感器不僅能測(cè)試油氣井的壓力，也可以滿足航空航天、國(guó)防安全等領(lǐng)域中的高溫高壓測(cè)量需求。在下一步的工作中，還可以針對(duì)傳感器敏感單元的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行進(jìn)一步的分析和優(yōu)化，并對(duì)傳感器溫度補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行深入研究，提高傳感器的量程和溫度適用范圍。

3 MEMS 高g 值加速度傳感器

侵徹武器主要用于打擊地下目標(biāo)、重要設(shè)備、飛機(jī)掩體、倉(cāng)庫(kù)等具有堅(jiān)固掩體的目標(biāo)。在武器的侵徹過(guò)程中，當(dāng)沖擊到不同掩體的材料時(shí)產(chǎn)生的加速度值是不同的，加速度傳感器將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并反饋至引信系統(tǒng)的信號(hào)處理單元，信號(hào)處理單元經(jīng)過(guò)識(shí)別和運(yùn)算，計(jì)算武器侵徹深度并與設(shè)定值對(duì)比判斷是否引爆，從而使得侵徹武器的打擊效果最大化。侵徹武器沖擊硬質(zhì)目標(biāo)時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生很大的加速度，其值一般為重力加速度的數(shù)萬(wàn)倍甚至數(shù)十萬(wàn)倍，這就要求檢測(cè)加速度信號(hào)的傳感器必須具有體積小、量程大、高過(guò)載、可靠性高的特點(diǎn)，采用MEMS 技術(shù)制作的高g值加速度傳感器可以滿足此類需求[13-16]。

本課題組在高g值加速度傳感器研究方面取得了一定成果，先后研制了具有雙端固支結(jié)構(gòu)、單端懸臂結(jié)構(gòu)和梁膜結(jié)合結(jié)構(gòu)的高g值傳感器，設(shè)計(jì)量程高達(dá)200000g，靈敏度達(dá)到5.4 μV/g，實(shí)際彈載測(cè)試結(jié)果顯示在彈體侵徹過(guò)程中，傳感器未發(fā)生失效，且成功地測(cè)取了彈體高速侵徹硬目標(biāo)過(guò)程中的加速度信號(hào)[17-18]。

本課題組在2020年提出了一種無(wú)質(zhì)量塊式新型復(fù)合梁結(jié)構(gòu)的高g值傳感器，其敏感結(jié)構(gòu)基于四梁結(jié)構(gòu)制作，并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，如圖5 所示。加速度傳感器芯片敏感結(jié)構(gòu)采用一種新型的復(fù)合梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有膜結(jié)構(gòu)的高抗沖擊特性和梁結(jié)構(gòu)的高靈敏度特性，整條梁厚度一樣即不設(shè)置質(zhì)量塊，提高了傳感器的抗沖擊能力和固有頻率。同時(shí)，為了提高傳感器的靈敏度，敏感梁采用變尺寸設(shè)計(jì)，即梁的固支端尺寸小于四梁交匯處的中間部分尺寸，使梁的應(yīng)力集中在根部，在一定程度上提高了傳感器的靈敏度[19]。

圖5 MEMS 高g 值加速度傳感器芯片設(shè)計(jì)圖Fig.5 Design drawing of MEMS high g accelerometer chip

設(shè)計(jì)的傳感器芯片整體尺寸為3 mm×3 mm ×0.85 mm，復(fù)合梁尺寸為1000 μm×300 μm×80 μm，平衡端尺寸為500 μm×500 μm×80 μm。使用SolidWorks 軟件對(duì)傳感器芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并將其導(dǎo)入到ANSYS 軟件當(dāng)中，定義材料屬性為各向異性硅，設(shè)定彈性模量和泊松比，并劃分網(wǎng)格。然后對(duì)模型分別施加約束和載荷，施加的加速度載荷分別為150000g，方向?yàn)閆方向，然后將模型進(jìn)行求解，觀測(cè)到模型在上述加速度沖擊下的應(yīng)力分布如圖 6(a)所示，梁上最大應(yīng)力為17 MPa，能夠滿足150000g的沖擊要求而不被破壞，具有較好的抗過(guò)載能力，可以認(rèn)為設(shè)計(jì)的傳感器芯片能夠滿足測(cè)量量程和過(guò)載沖擊下的強(qiáng)度要求。采用ANSYS 仿真軟件對(duì)傳感器芯片進(jìn)行模態(tài)分析，一階模態(tài)圖如圖6(b)所示，其固有頻率為633 kHz。

圖6 MEMS 高g 值加速度傳感器芯片有限元仿真圖Fig.6 Finite element simulation of MEMS high g accelerometer chip

研究采用Pt-Ti-Pt-Au 多層歐姆接觸和金屬引線，封裝采用全金屬殼體封裝類型，以避免測(cè)試過(guò)程中的電磁干擾。加工的高g值加速度傳感器實(shí)物圖如圖7 所示。

圖7 MEMS 高g 值加速度傳感器芯片實(shí)物圖Fig.7 Physical pictures of MEMS high g accelerometer chip

通過(guò)霍普金森桿試驗(yàn)對(duì)高g值加速度傳感器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)首先將氣槍氣壓調(diào)節(jié)為0.2 MPa，在此氣壓下入射桿上產(chǎn)生的加速度值約為100000g，傳感器的輸出電壓信號(hào)如圖8(a)所示，輸出電壓約為107 mV，加速度信號(hào)單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間約為20 μs，表明傳感器的工作頻率高于50 kHz；將氣槍氣壓調(diào)節(jié)為0.3 MPa，入射桿上 產(chǎn)生的加速度信號(hào)約為150000g，傳感器的輸出電壓信號(hào)如圖8(b)所示，從圖中可以看出，該加速度信號(hào)脈沖寬度為2 μs，其加速度信號(hào)頻率超過(guò)了500 kHz，由于頻率過(guò)高，制作的傳感器及其測(cè)試電路系統(tǒng)已經(jīng)不能準(zhǔn)確測(cè)量加速度信號(hào)，但是輸出波形表明傳感器并未損壞，在150000g的加速度沖擊后，仍然可以恢復(fù)零位平衡。可見(jiàn)，傳感器的靈敏度達(dá)到1.06 μV/g，可測(cè)加速度信號(hào)脈沖時(shí)間小于0.02 ms，響應(yīng)頻率較高，在侵徹武器領(lǐng)域具備較好的應(yīng)用前景[20]。

圖8 高g 值加速度傳感器試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖Fig.8 Response curve of high g accelerometer

圖9 是實(shí)驗(yàn)基地侵徹武器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，加速度會(huì)隨著阻力的變化而變化。加速度的時(shí)間歷程也表明穿透時(shí)間約為2.06 ms。所以平均每個(gè)加速度沖擊脈沖的寬度約為0.147 ms；沖擊脈沖的頻率為21.4 kHz。根據(jù)表2 的數(shù)據(jù)，21.4 kHz 遠(yuǎn)小于加速度傳感器結(jié)構(gòu)的第一固有頻率（213.53 kHz）。這證明了有限元模擬的結(jié)果是正確的，加速度計(jì)成功地獲得了加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響信號(hào)。

圖9 高g 值加速度傳感器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.9 Testing curve of the high g accelerometer in the live-fire test

表2 石英諧振加速度傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Testing data of high precision quartz resonant accelerometer

本課題組研制的大量程MEMS 高g值加速度傳感器可以滿足侵徹武器高g值、高過(guò)載的應(yīng)用需求。在下一步的工作中，一方面由于傳感器敏感結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硅材料的許用安全應(yīng)力，因此可以在優(yōu)化設(shè)計(jì)芯片的敏感結(jié)構(gòu)時(shí)，在保證傳感器安全應(yīng)用的前提下提高傳感器的靈敏度；另一方面，高加速度沖擊下部分損壞的傳感器多是由于封裝結(jié)構(gòu)被破壞而芯片保持完好，因此在后續(xù)的研究工作中需要改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)的類型，來(lái)提高傳感器的工作性能和可靠性。

4 高精度石英諧振加速度傳感器

諧振式加速度傳感器輸出與加速度相關(guān)的頻率信號(hào)，具有靈敏度大、精度高和噪聲低等特點(diǎn)，抗干擾性強(qiáng)，在信號(hào)傳輸過(guò)程中有較高的穩(wěn)定性。諧振式加速度傳感器最主要的應(yīng)用是與微陀螺、原子鐘等組成微型慣導(dǎo)集成系統(tǒng)，集合定位、導(dǎo)航和授時(shí)能力（PNT），利用MEMS 技術(shù)開(kāi)發(fā)高穩(wěn)定性、高精度的慣性測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)極端小型化系統(tǒng)，適應(yīng)不同的復(fù)雜環(huán)境需求，解決衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脆弱性產(chǎn)生的位置服務(wù)與應(yīng)用受限問(wèn)題，當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)衰退或被阻斷、干擾時(shí)，提供可靠、高精確度的定位導(dǎo)航技術(shù)支持[21-24]。作為微型慣性導(dǎo)航集成系統(tǒng)中的重要組成部分，諧振式微加速度傳感器不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換就能夠直接嵌入導(dǎo)航系統(tǒng)，可以提高加速度的測(cè)量精度，因此廣泛地應(yīng)用于微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[25]。

本課題組提出了采用硅與石英結(jié)合的諧振式加速度傳感器方案，如圖10 所示。研究中采用單晶加工質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，石英晶體加工諧振器，兩者通過(guò)微裝配組合成新型的諧振式加速度傳感器，充分利用硅優(yōu)良的微加工性和石英的高品質(zhì)因數(shù)與逆壓電特性。研究了應(yīng)用于此類傳感器的石英諧振器，采用雙端固定音叉結(jié)構(gòu)，叉齒上的激勵(lì)電極采用四面布置方案并且在振梁長(zhǎng)度上呈三段式分布，用于激勵(lì)音叉的同平面相反相位振動(dòng)模式。同時(shí)，提出了雙音叉同平面內(nèi)的推拉式差動(dòng)結(jié)構(gòu)。雙音叉差動(dòng)式結(jié)構(gòu)解決了硅與石英熱膨脹系數(shù)不同和石英諧振器的溫度敏感性引起的傳感器溫漂以及硅與石英微裝配和封裝引起的殘余應(yīng)力等問(wèn)題，同時(shí)推拉式方案減小音叉的彎曲變形可以提高傳感器的線性度[26-27]。

圖10 高精度諧振加速度傳感器芯片設(shè)計(jì)圖Fig.10 Design drawing of high precision quartz resonant accelerometer

對(duì)于提出的差動(dòng)式傳感器結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化后的傳感器受力模型如圖11 所示。傳感器受到加速度載荷時(shí)，施加在慣性質(zhì)量塊上的慣性力F=ma引起柔性支撐梁的彎曲變形和音叉的拉壓變形，m為慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量，a為加速度載荷。柔性支撐梁和音叉的受力分析如圖11 所示。經(jīng)過(guò)計(jì)算，柔性支撐梁的尺寸為4470 μm×200 μm×500 μm，石英音叉的尺寸為3700 μm×900 μm×100 μm，慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量為0.1255 g。

圖11 石英諧振加速度傳感器芯片結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型Fig.11 Mechanical model of chip structure of high precision quartz resonant accelerometer

采用重力場(chǎng)翻滾的實(shí)驗(yàn)方式對(duì)諧振式加速度傳感器進(jìn)行標(biāo)定，將傳感器固定在高精度分度頭上，當(dāng)分度頭從0°旋轉(zhuǎn)到360°時(shí)，固定于分度頭上的傳感器的敏感方向與重力加速度夾角發(fā)生變化，施加在傳感器敏感方向上的加速度載荷按照三角函數(shù)規(guī)律從1g變化到-1g再變回1g。實(shí)驗(yàn)得到的傳感器兩根音叉輸出頻率的差值隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度的結(jié)果如圖12 所示，測(cè)得的具體輸出數(shù)據(jù)如表2 所示。

圖12 高精度石英諧振加速度傳感器的試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Testing results of high precision quartz resonant accelerometer

經(jīng)過(guò)計(jì)算，傳感器的靈敏度為6.317 Hz/g，±1g實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)傳感器的非線性度為0.26%FS，遲滯為0.09%FS，重復(fù)性誤差為0.14%FS，基本精度為0.67%，分辨力約為11 mg，具有較高的精度[28]。

本課題組研制的高精度石英諧振加速度傳感器不僅能應(yīng)用于慣性導(dǎo)航制導(dǎo)領(lǐng)域，也可以滿足無(wú)人飛行器、無(wú)人潛水器、武器穩(wěn)姿穩(wěn)瞄等領(lǐng)域的測(cè)試需求。在下一步的工作中，一是進(jìn)行單片全石英結(jié)構(gòu)的諧振加速度傳感器研究，既能避免分體式傳感器微組裝引入的工藝誤差和精度下降，又能提高傳感器的良品率和可靠性[29]；二是設(shè)計(jì)杠桿放大機(jī)構(gòu)，減小音叉尺寸，進(jìn)一步提高靈敏度[30]；三是研究滿足頻率帶寬要求的振動(dòng)隔離系統(tǒng)降低非共模振動(dòng)對(duì)傳感器的干擾；四是提高芯片的真空封裝工藝和音叉的加工工藝，進(jìn)而提高傳感器的品質(zhì)因數(shù)和精度。

5 結(jié) 論

本文介紹了適用于極端環(huán)境的大量程高溫高壓傳感器、MEMS 高g值加速度傳感器、高精度石英諧振加速度傳感器的應(yīng)用背景、設(shè)計(jì)思路和方案、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、傳感器的加工、測(cè)試及下一步研究的方向，為高性能特種MEMS 傳感器的研究提供了參考。航空航天、國(guó)防安全、石油化工等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)傳感器的應(yīng)用環(huán)境和性能指標(biāo)提出了更高的需求。可以預(yù)見(jiàn)，適用于極端環(huán)境的MEMS 傳感器必將得到進(jìn)一步的高速發(fā)展。