摘 要: 针对侵彻过程中传感器过载失效的问题, 提出了一种四边四梁结构的高g 压阻加速度传感器。该结构采用硅玻键合技术控制质量块下底面到玻璃底盖的间距为5 um,为系统提供空气阻尼使其处于最佳阻尼状态, 同时玻璃底盖起到了过载保护作用, 仿真分析表明该结构可承受200 000 gn 的加速度载荷。最后对加工出的加速度计进行初步的测试, 其灵敏度为4.5 uV/ g, 线性度为3. 1%。
关键词: 压阻加速度计; 高g; 过载; 空气阻尼
高g 值加速度传感器的设计是侵彻引信的关键之一。侵彻武器通常以每秒上百米的速度钻入地面、混凝土、岩石或其它的坚硬物质, 其运动的平均加速度可达到地球重力加速度的2 万倍, 最大加速度可达重力加速度的几十万倍[ 1] 。这就要求所用加速度传感器既能抗击如此苛刻的工作环境, 同时又能快速响应冲击与钻入的整个过程, 即正确测量瞬时加速度的变化过程, 因此所选用的加速度传感器必须具有很高的测量范围、耐受高冲击且频率响应高[ 2] 。
本文所研究的高g 值加速度计可应用于航空航天领域和硬件侵彻武器研究, 以解决高速运行的载体在启动和运行过程中速度变化的测量与控制问题。
1 结构设计
1. 1 结构选择
压阻式加速度计是最早开发的硅微加速度计,弹性元件的结构一般采用梁-质量块的结构形式, 典型结构有悬臂梁、双悬臂梁、桥梁、四边四梁、双岛五梁等结构。结合各种结构的优缺点以及设计要求,采用如图1 所示的四边四梁结构, 压阻对称放置于四根梁的根部, 该结构的超对称性可以较好地解决横向灵敏度的问题。
1. 2 结构参数设计
结构中质量块和梁的参数对结构的性能起着决定性的作用。质量块的质量影响传感器的固有频率和灵敏度, 质量越大, 固有频率越低, 灵敏度越大。利用Mat lab 软件分析梁的尺寸于结构最大应力和固有频率的关系。图2 为最大应力与梁长度和厚度的关系曲面, 图3 为结构固有频率与梁长度和厚度的关系曲面, 从图中可以看出结构参数对结构应力和频率的影响是矛盾的。随着梁长度的增加, 梁上最大应力增大, 即结构灵敏度增大, 而固有频率随之降低; 随着梁厚度的增加, 梁上最大应力减小, 即灵敏度降低, 固有频率随之增加。
结合以上分析、加速度计指标要求和工艺条件,结构各部分参数如表1 所示。
2 阻尼设计
对常规的机械器件, 周围空气引起的阻尼可以忽略, 因为空气阻尼引起的能量损耗远小于提供给系统的能量。但对于微机械器件, 空气阻尼决定了器件的动态特性。微机械结构的空气阻尼原理是挤压空气阻尼和滑动空气阻尼[ 3] 。本设计利用的是挤压空气阻尼原理, 采用硅玻键合和减薄质量块的方法加工出如图4 所示的结构, 质量块受力时上下运动挤压间隙之间的空气为系统提供阻尼。
本文设计的加速度传感器系统相当于一个有阻尼的单自由度振动系统, 可以简化为二阶系统[ 4] 。加速度计的瞬态响应特性取决于系统的阻尼比N,N= 0. 707 为最佳阻尼, 系统的幅频特性处在最佳状态。由流体力学的Reynolds 方程[ 5] 分析系统, 求得阻尼比和间距d 的关系:
3 抗冲击性能分析
单晶硅是一种脆性材料, 几乎不能承受塑性变形, 冲击作用后多发生脆性断裂[ 6] 。所设计的高g加速度计工作在侵彻环境, 抗过载分析是设计过程中不可缺少的步骤。
结构设计中玻璃盖板不仅有提供阻尼的作用,还起过载保护作用。质量块下底面与玻璃盖板之间的间距为5 um, 即在加速度载荷作用下, 质量块在z 方向上的最大位移量为5 um。通过仿真可知, 当作用在结构上的加速度载荷为200 000 gn , 质量块在z 向振动的最大位移量为2. 377 um, 小于它的限位位移5 um。梁上所受的最大等效应应力为Rmax= 381. 567 Mpa, 该值远小于硅材料的屈服强度( 7GPa) [ 7] 。因此, 该结构能够承受200 000 gn 的加速度载荷。
4 工艺设计
4. 1 版图设计
使用L-Edit pro v11. 1 软件对高g 微加速度计进行版图设计, 该加速度计的整个加工流程共需八张光刻版。第一张版为P- 压阻版, 此版确定P-的尺寸, 且P- 的宽度决定压敏电阻的宽度; 第二张为P+ 欧姆接触版, 此版与P- 覆盖为5 um, 决定压敏电阻的长度, 实现P- 压阻区与金属的低阻互连;第三张版为背腔及凸角补偿版, 用来形成质量块和梁的厚度; 第四张版为背腔版, 此版与第三张版套刻, 且相对于第三张版缩进5 微米, 通过KOH 腐蚀实现质量块减薄; 第五张为引线孔版, 形成金属接触孔; 第六张为金属引线版, 实现器件的电气互连, 电阻通过此版连接成电桥; 第七张版为正面穿透版, 释放梁结构; 第八张为金属电极版, 用于在玻璃上形成金属电极, 以实现加速度计的自检测功能。图5 为加速度计的整体版图。
4. 2 工艺流程
高g 加速度计的加工过程包括硅工艺、玻璃工艺和键合工艺三部分, 具体的工艺步骤及各版图之间的套刻关系如下。
¹ 备片: N31004晶向、电阻率为2~ 4( 8 - cm) 、400 ± 10 um 双面抛光硅片; º 初始氧化形成二氧化硅, P- 压阻版光刻出P- 位置, 淡硼离子注入, 硼推进形成P- 压阻区, RIE 刻蚀二氧化硅; » 再次氧化,P+ 版光刻出P+ 位置( 与P- 版套刻) , 浓硼扩散、推进, 形成P+ 欧姆接触区, RIE 刻蚀二氧化硅; ¼两次低压气相淀积( LPCVD) 二氧化硅和氮化硅, 双面光刻背腔及凸角补偿版, 与P- 版套刻; ½ RIE 背面氮化硅和二氧化硅, BHF 背面二氧化硅, 光刻背腔版,与背腔及凸角补偿版套刻; ¾RIE 背面氮化硅和二氧化硅, BHF 背面二氧化硅, 进行第一次KOH 腐蚀形成质量块; ¿ RIE 背面氮化硅, BHF 背面二氧化硅, 进行第二次KOH 腐蚀, 减薄质量块; ÀRIE正面氮化硅/ 二氧化硅/ 氮化硅, RIE 背面氮化硅/ 二氧化硅, 光刻引线孔版, 与P- 压阻版套刻, 形成引线孔, 真面溅射金属铝; Á 光刻金属引线版, 与引线孔版套刻, 形成金属引线; Â光刻正面穿透版, 与P- 压阻版套刻, 正面ICP, 形成梁结构; lv光刻电极版, 与背腔及凸角补偿版套刻, 玻璃工艺形成电极; lw硅玻键合。
5 封装与测试
5. 1 封装
高g 加速度计在初步测试阶段采用LCC20 型陶深腔瓷管壳单芯片封装, 该封装形式具有较好的抗冲击性能, 抗冲击大于5 x 104 * g n。封装后的照片如图6 示。
5. 2 测试结果
采用马歇特试验装置对加速度计进行冲击校准, 选用204 所的988 压电式加速度计作为标准传感器[ 8] , 该传感器电荷灵敏度为0. 858 pC/ g n , 电荷放大器放大倍数为10 000 pC/ V。如图7 示为10 000gn 冲击下的测试结果, 通道1 为被测加速度计信号, 通道2 为标准传感器信号。限于实验条件, 只在10 000~ 30 000 gn 范围内对加速度计进行冲击实验, 该加速度计的动态灵敏度为4. 5 LV/ gn , 线性度为3. 1%
6 结论
本文设计了一种四边四梁结构的高g 压阻加速度计, 并对其进行了阻尼设计和抗冲击性能分析。给出了可行的加工工艺流程及版图设计, 并对其进行了封装和初步测试, 测试结果表明该加速度计具有较好的灵敏度和线性度。
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