高g值MEMS加速度传感器敏感元件的结构分析_图文

1、第24卷第4期 2O O 2年l 2月探剥与控制学报Journal of Detectjon&ControlVol 24No.4 kc.Z0020引言高g值MEMS加速度传感器敏感 元件的结构分析宋 萍,李科杰,石庚辰,卢四华(北京理工大学机电学院,北京100081摘 要:介绍了几种高g值MEMs加速度传感器敏感元件的结构和原理,并对其结构特性 进行了分析,最后给出了研究过程中所采用的圆膜片结构和仿真结果。关键词:MEMs加速度传感器,结构分析中图分类号:TJ 4l o.6文献标识码:A文章编号:l008一1194(200204一ool4一03高g值的加速度传感器已经在很多场合得到了应

2、用,尤其是在军事上,如控制侵彻弹药引信在预 定层数起爆,监测核爆破的冲击过程,武器研制过程中的冲击过载测试等,近几年来.随着硬目标侵彻武 器研究的大范围发展,测量冲击现象的需求变得尤为重要。微机械加速度传感器由于它优良的频率特性 和动态性能已受到各国的广泛关注,研究表明通常高g值的MEMs加速度传感器测量高冲击时的失 效方式“o有缺乏阻尼(测试时引起传感器共振,封装有缺陷(造成传感器内部有尘粒,质量块破碎(质 量块材料和结构设计,连接电缆接头受损等几种,因此传感器敏感元件的结构设计成为设计传感器过 程中的重要环节之一.本文主要介绍了国外研究的几种高g值MEMs加速度传感器敏感元件的结构, 并对

3、其结构特性进行了分析,并在此基础上给出我们研究过程中所采用的结构。l 国外几种高g值加速度传感器敏感元件的结构分析1.1表面徽细加工制成的可测5万g的加速度传感嚣口3这种加速度传感器是由美国桑迫亚实验室研制的微机械加速度传感器,量程可达5万耳,这是一种电容加速度传感器,由多晶硅通过相应的表面加工工艺制作而成,传感器的俯视图如图1所示,传感器的敏感元件由12根悬臂粱悬挂着一方形平板质量块,质量块在受到加速度作用时向上或向下移动,从而改变平板 与底部电极构成的电容器的电容量,在左边的参考电容也是一个 平行平板电容。它通过几何形状与传感器的平行平板相区分。在 参考电容中的弹性元件被设计的非常坚硬使得

4、在承受加速度作 用时,参考电容的平板的位移可以忽略.参考电容器与传感器敏 感元件构成的电容器通过相应的处理电路来测量加速度。板上小 孔可用来调节传感器的阻尼比到合适位置.这种传感器是一种集 成的加速度传感器,它的敏感元件部分与c0Ms电路通过一种 特定工艺集成在同一芯片上。l|2可测10万g的加速度传藤器口3这种传感器由加拿大阿尔伯达微电予中心研制成功的,可测Ssor RekC¨0 圈15万g加速度传感器的俯视图图2悬臂粱的尺寸和电阻条的结构收稿日期:2002一0527作者简介:宋萍(1972一.女,山东苯州人,博士,讲师,从事传感器与测试技术的研究工作。宋萍等:高g值MEMS加速度

5、传感嚣敏感元件的结构分析 1510万g加速度,谐振频率优于100kHz的传感器,这是一种投有质量块的压阻式加速度传感器,传感器 的敏感元件是一层4pm厚的单晶硅薄膜构成的单端悬臂梁结构,在悬臂粱上通过扩散的方法构成惠 斯通电桥,该传感器在5V桥压激励时的灵敏度输出为o.75pVg一。1.3恩德福克的7270A200K加速度传感器恩德福克公司的7270A一200K压阻式加速度传感器的敏感元件采用的是双端悬臂梁结构,如图3所示;在传感器的长方形钢制外壳中,放着一块1mm×1mm大小整体敏感元件,在1mm2的硅片上加工成整体弹簧、质量块及四个臂的压阻应变片电桥系统,它是利用各向异性刻蚀技术

6、和体加工技术由单晶硅刻蚀而成的.在原来是平面的硅片上按照图形渗入一定的杂质就形成了具有原来厚度的单独的硅片作为质量块。这种整体式结构和特 别小的尺寸就保证了传感器具有大的强度一重量比,单独分离的 图37270型加速度传感器的单片硅 敏感元件的结构示意图应变电阻使传感器的线性度和灵敏度达到了最佳值。同时由于质量块的质量很小,悬臂梁的刚度很大, 因此,传感器的固有频率可达到很高,20万g量程的7270一200K加速度传感器的安装谐振频率最高为 1.2MHz。1.4结构分析上述加速度传感器敏感元件的三种结构分别是双端固支梁、单端悬臂梁和双端悬臂梁结构,固支梁 和悬臂梁是各类传感器敏感元件使用最多的结

7、构形式,也是最基本的形式,传感器敏感元件的许多结构 形式都是在此基础上的改型。悬臂梁结构的特点是灵敏度高,制造相对简单,线性也不错,但是它最大的 缺点是横向灵敏度较大,但美国恩德富克公司的7270型加速度传感器采用双端悬臂粱形成对称结构, 就很好地抑制了非对称性结构l起的沿粱长度方向的横向加速度的影响,同时悬臂粱的刚度很高。固支 梁的灵敏度较悬臂粱的差,但横向灵敏度小,一般情况下考虑用于高冲击测试多采用固支梁,但考虑到 目前国内加工工艺在与CM0s电路的兼容性及加工过程中残余应力的释放等方面的实际情况,我们在 研究过程中采用了圆膜片结构。2我们研制的传感器的敏感元件我们所研制的高g值加速度传感

8、器的敏感元件采用圆膜片结构。根据薄板小挠度弯曲的近似理 论“.圆平膜片在均布载荷作用下,当满足(1假设板体材料是均匀、连续的理想弹性体;(2假定位移和 形变是微小的。薄板的厚度与最小外形尺寸。相比是很微小的U/k,。<1/5;而板的最大挠度与厚 度相比是微小的(”。1/5,并且应变与转角都远小于1f(3假定薄板弯曲时板的中面不发生面内 的变形(伸缩或剪切变形。这是刚性板弯曲的属性,(4变形前垂直于板中面的直线段,在变形后仍为直 线段,而且仍垂直于变形后的中曲面,直线段长度不变;(5与中面平行的各面上的正应力以与应力以、 q和r。相比属于小量,即忽略垂直于平板中面的祛向应力以;(6薄板中面

9、内各点都投有平行于中面内 的位移等假设条件时,若加载方向取垂直中面向上方向为正(与仿真结果对应,在rR处它所受到的 径向应力和切向应力达到正的最大值,用作加速度传感器时,设传感器受到加速度n的作用,则:一筹=筹一跏2,+一餮一=筹一=警魍式中:R为膜片半径;为膜片厚度;n为传感器所受加速度;P为敏感元件密度;s为膜片面积。在ro处达到负的最大值为:一=一一盟斋巡一学R2I 高g值MEMS加速度传感器敏感元件的结构分析作者:宋萍 , 李科杰 , 石庚辰 , 卢四华 作者单位:北京理工大学机电学院,北京,100081刊名:探测与控制学报 英文刊名: JOURNAL OF DETECTION &am

10、p; CONTROL年,卷(期:2002,24(4被引用次数:1次参考文献(4条 1. Dayies Brady R Carole Craig Barron High G MEMS Integrated Accelerometer 19972. Ning Yuebin. Yan Loke Fabrication and characterization of high g-force,silicon piezoresistiveaccelerometers 19953. Still Robert D Testing Techniques Involved with the Development of High Shock acceleration Sensor