MEMS压阻加速度传感器阻尼特性研究

1、MEMS器件与技术MEMSDevice&TechnologyMEMS压阻加速度传感器阻尼特性研究卞玉民,郑锋,何洪涛(中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051)摘要:研究了空气阻尼对MEMS压阻加速度传感器性能的影响,建立了传感器动力学模型和空气阻尼模型,分析了空气间隙大小与传感器阻尼系数的相互关系,通过控制空气间隙可以达到控制加速度传感器阻尼的目的。根据分析结果设计了三明治结构封装的传感器,应用有限元仿真软件,对传感器的应力和应变进行了仿真计算,完成传感器结构参数设计;采用MEMS体硅加工工艺和圆片级封装工艺,制作了MEMS压阻加速度传感器。测试结果表明,采用三明治结构封

2、装形式,可以控制压阻加速度传感器的阻尼特性,为提高传感器性能提供了途径。关键词:微电机系统;压阻;加速度传感器;阻尼;中图分类号:TH703;TP212.1文献标识码:A)08-0466-04PiezoresistiveAccelerometerBianYumin,ZhengFeng,HeHongtao(The13thResearchInstitute,CETC,Shijiazhuang050051,China)Abstract:Theeffectofthegasdamponthemicroelectromechanicalsystem(MEMS)piezoresis2tiveaccelero

3、meterwasstudied.Thedynamicmodelandairdampmodelfortheaccelerometerwereestablished.Therelationshipbetweenthegasgapandthedampingcoefficientwasana2lyzed.Asandwichstructurefortheaccelerometerwasdesignedbasedontheanalysisresult.Theaccelerometerstressandstainwassimulatedandanalyzedusingthefiniteelementmeth

4、od,andthestructureparametersofthepiezoresistiveaccelerometerweredesigned.TheMEMSpie2zoresistiveaccelerometerwasfabricatedwithmicromachiningprocessandwaferlevelpackaging(WLP).Thetestresultsprovethatthesandwichstructurecancontroltheaccelerometerdam2pingcharacteristicsandprovideapproachesforimprovingth

5、eperformance.Keywords:MEMS(microelectromechanicalsystem);piezoresistive;accelerometer;damping;WLP(waferlevelpackaging)EEACC:2575;7230M0引言压阻加速度传感器具有体积小、频率范围宽、测量加速度的范围宽、直接输出电压信号、不需要收稿日期:2008-06-16E2mail:bym107复杂的电路接口以及批量生产的价格低廉等优点。近年来,随着各种冲击、碰撞试验和测试系统在汽车行业、武器系统中的需求增加,采用MEMS技术的微型压阻加速度传感器得到了日益广泛的应用。466M

6、icronanoelectronicTechnologyVol.45No.8August2008© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 卞玉民等:MEMS压阻加速度传感器阻尼特性研究空气阻尼的量值与运动物体的表面积直接相关。对于较大体积的传统机械结构,空气阻尼一般可以忽略。随着体积减小,运动物体的表面积与体积比显著增加1,空气阻尼对器件性能的影响非常显著。器件中运动部件的运动包括相互间的挤压和滑动,运动构件和衬底间空气气膜的阻尼效应显著。因此,在设计MEM

7、S器件时,建立有效的空气阻尼分析计算模型十分关键2-3。本文讨论了阻尼对MEMS压阻加速度传感器性能的影响,分析了阻尼的影响因素,采用三明治结构封装形式,实现了传感器的阻尼调节,提高了器件性能。的刚性系数。系统的传递函数为)=H(1-0+2j0(2)式中:o为系统的固有频率;为阻尼比。空气属于流体,具有黏性。当微结构运动时,这种由于空气具有黏性而引起的能量损失,就叫作空气阻尼。空气阻尼具有温度系数比液体阻尼小得多的突出优点,因此由空气阻尼决定的微机械运动具有良好的温度特性。阻尼的存在显著影响着振动系统的动态性能,尤其对于微机械结构,由于空气阻尼存在比率减缩效应,即随着机械尺寸的减小,结构谐振频

8、率和阻尼比等将按比率增大,因此空气阻尼对微机械结构的运动更具有特殊的重要性。空。当一个平板相对,此时产生的空气阻尼为;当一个平板平行于衬底运动,此时产生的空气阻尼为滑膜阻尼。考虑阻尼的一个基本前提是:结构的特征尺寸远大于流体分子的平均自由程,其实这也是流体力学的一个基本假设,这样才能用宏观方法去解决流体问题。尺寸在微米范围的结构符合该条件4。在器件质量块上下方同时存在变化的压膜阻尼,两侧存在滑膜阻尼。由于两侧的间隙较大,可以忽略滑膜阻尼对器件性能的影响,本文主要考虑压膜阻尼对器件性能的影响。两块平行放置的平板,当其中一块平板垂直于另一块平板做平面运动时,板间的空气夹层由于压力的改变,会流入或流

9、出该夹层,外力对运动平板所做的功主要用来克服空气流动时产生的黏滞力而转变成热量。该空气夹层对运动平板产生的阻尼即压膜阻尼。一般采用经典流体润滑方程雷诺方程来计算运动平板空气阻尼力。建立的传感器阻尼模型如图2所示。1阻尼分析理想传感器应该是一个理想的线性时不变系统,即传感器的输出能线性地真实反映输入信号。)具体地讲,应使输出幅度A(有频率得到同样的放大,(被测频率,以保证各谐波分量都与频率成正比的相位移。这就要求传感器具有较大的带宽,而带宽在很大程度上取决于系统的固有频率和阻尼比。为了分析传感器的运动阻尼问题,本文建立了传感器的动力学模型和空气阻尼模型,如图1所示。图1动力学模型Fig.1Sim

10、plifieddynamicmodel传感器可以等效为一个由质量块、弹簧和阻尼器组成的二阶系统,其动力学方程为F(t)=mx+cx+kx(1)图2阻尼模型Fig.2Airdampmodel式中:F(t)是动态加速度产生的惯性驱动力;m是质量块的质量;c是系统的阻尼系数;k是系统2008年8月微纳电子技术第45卷第8期467© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 卞玉民等:MEMS压阻加速度传感器阻尼特性研究对于微机械器件,其结构尺寸一般很小,因此雷诺数远远

11、小于1。假设平板在X2Y平面内,可得到板间空气层流动的雷诺方程533(3)+=12xydt式中:是空气密度;h是空气间隙高度;是空气的黏滞系数;p是空气压强。该方程是在小雷诺系数的假设前提下,在黏性范围内,对Navier2Stokes方程进行化简而得。由于绝热雷诺方程是(包括梁、压敏电阻和质量块)及基板构成的三明治传感器结构。根据上节分析,通过改变空气间隙可以调节系统的阻尼。采用三明治结构,可以形成一个密闭的腔体,通过控制质量块与盖板、基板的间隙达到控制系统阻尼的目的,如图3所示。采用三明治结构还可以起到保护芯片结构的作用。同时可以实现批量化圆片级封装,大幅度降低器件的封装成本。非线性偏微分方

12、程,一般需要数值方法进行求解。压阻加速度传感器结构运动幅度很小。在这种情况下,将雷诺方程线性化,变成类似扩散偏微分方程。根据边界条件解方程,得到平行矩形平板的阻尼系数6,即c=3hL(4)3传感器结构Fig.3Packagestructureofthesensor式中:B是平板宽度;L,比修正系数L=1-5n5n=1,3,5tanh2B(5)作者利用有限元仿真软件,建立了传感器敏感结构的有限元模型,对敏感结构进行了应力和应变仿真分析,确定了满足要求的结构参数,如图4、5所示。质量块尺寸为2mm×2mm×0.3mm;当BL时,=1;B=L时,=0.42。可以看出,在结构尺寸一

13、定的情况下,可以通过调节空气的黏滞系数和空气间隙h来调整系统阻尼系数,以满足加速度传感器性能的要求。梁尺寸为1.2mm×0.15mm×0.04mm。2结构设计压阻加速度传感器由敏感质量块、梁和压敏电阻等部分组成。敏感质量块通过悬臂梁或连结梁支撑悬挂,利用离子注入或扩散工艺在梁上制作压敏电阻。当传感器感受到加速惯性力时,质量块产生偏移,带动支撑梁发生扭曲或弯曲等形变,在电阻中产生应力变化。由于半导体的压阻效应,压敏电阻阻值发生变化,利用信号放大和处理电路将这种变化转换为可测量信号如电压、电流等形式输出,经过标定建立输出信号与被测加速度之间的关系,从而测量加速度。压阻加速度传感

14、器常用的的结构形式有悬臂梁、双臂梁、四梁和五梁等6-7,四梁结构的横向灵敏度低,抗冲击能力好。通过梁的尺寸优化设计,可以保证灵敏度符合性能要求。本文采用四梁结构,设计了由盖板、敏感结构468MicronanoelectronicTechnologyVol.45No.8August2008© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 卞玉民等:MEMS压阻加速度传感器阻尼特性研究3加工和测试传感器的加工采用MEMS体硅压阻工艺和圆片级封装工艺。MEMS体硅压阻加工

15、工艺制备梁-质量块结构,具有加工厚度大、纵横向尺寸控制精度高等优点。用玻璃片形成支撑结构,中间结构片上首先通过离子注入形成压敏电阻,然后通过深槽刻蚀形成梁-质量块结构,电镀形成焊接用的金属镀层和布线,最后与基板静电键合。圆片级封装工艺是实现传感器三明治结构的关键工艺。本文采用合金封焊工艺实现的圆片级封装,具有工艺简单、可靠性高、成本低等特点。对硅片进行双面光刻,刻蚀空腔,然后通过腐蚀制作出用于引出键合引线的通孔,利用键合机实现圆片级封装,工艺流程如图6所示。加工完成的传感器芯片如图7所示。图9所示,其中曲线a是空气间隙较小的传感器输出曲线,曲线b是空气间隙较大的传感器输出曲线。从图9中可以看出

16、,空气间隙较小时,传感器输出电压先随频率增大而增大,在8kHz附近达到最大值,然后输出电压迅速减小,表明系统阻尼系数较小;空气间隙较大时,传感器输出电压随频率增大而一直减小,表明系统阻尼系数较大。测试结果表明,通过采用圆片级三明治结构封装,调节空气间隙,可以实现对压阻加速度传感器的阻尼控制,从而达到提高传感器性能的目的。4结论本文分析了MEMS压阻加速度传感器的阻尼特性。在结构尺寸一定的情况下,可以通过调节空气的黏滞系数和空气间隙h来调整系统阻尼系数,满足传感器性能的要求。设计并加工完成了三明治结构MEMS压阻加速度传感器。在振动台上本文对加工完成的压阻加速度传感器进行了测试,测试原理如图8所

17、示。将压电标准传感器和被测传感器固定在振动台台面上,通过信号源产生正弦振动,用频谱分析仪和示波器对传感器的输出信号进行测试分析。传感器测试幅频特性曲线如对传感器进行测试,通过对传感器输出幅频曲线分析表明,通过调节空气间隙可以实现传感器阻尼系数的定量调整。本方法适用于其他MEMS器件的设计开发。(下转第479页)4692008年8月微纳电子技术第45卷第8期© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 王静辉等:GaAsPHEMT栅选择腐蚀工艺研究Journalo

18、fAppliedPhysics,2004,43(6B):L800-L802.4WOHLMUTHWA,LIUL,WITKOWSKIL,etal.A0.5mInGaPetchstoppowerPHEMTprocessutilizingmulti2levelhighdensityinterconnectsC/GaAsManTechDigestPaper.Miami,USA,2004.5CHANGHC,CHANGEY,CHUNGC2C,etal.HighlyselectiveGaAs/Al0.2Ga0.8Aswetetchprocessforthegaterecessoflow2voltage2pow

19、erpseudomorphichigh2electron2mobilitytransistorJ.JJournalofAppliedPhysics,2000,39(8A):4699-4703.(上接第469页)参考文献:1STARRJ.Squeezefilmdampinginsolid2stateaccelerome2tersC/IEEEWorkshoponSolid2stateSensorandActuator.HiltonHeadIsland,SC,USA,1990:44-47.2WANGX,JUDYM,WHITEJ.Validatingfastsimulationofairdamping

20、inmicromachineddevicesC/TheFifteenthIEEEInternationalConference.,:-213.tiontoreducethepackagestressJ.SensorsandActua2tors,2000(80):199-207.7BAOM,CHENJ,SHENS.AmicromechanicalstructureeliminatinglateraleffectofaccelerometerC/Proc91.,USA,1991:101-103.3VELTENT,HEE.Dynamicbehaviorofanewtwo2axisC/SolidSta

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