摘 要: 提出了一种新型的基于体硅工艺的双轴加速度传感器, 量程为? 50 gn , 采用全对称结构, 其电容检测部分采用变面积、差分电容式的梳状电极结构。利用有限元分析软件分析得到本文所设计的双轴加速度传感器微结构整体质量为1. 174mg, X、Y 轴的灵敏度皆为2. 3 fF/ g, 模态分析结果表明, 第一和第二模态振型为两敏感方向的振型, 且谐振频率分别为2 774Hz, 2 775 H z。经过MEMS 加工工艺制作出的芯片尺寸为5 260 Lm x 5 260 Lm。经过测试, 此双轴加速度传感器的电学灵敏度为33. 78 mV/ g , 谐振频率为2. 4 KH z, 带宽可达到1. 5 KH z。
关键词: 微机械电子系统; 双轴加速度传感器; 梳状电极; 有限元分析
由于微机电系统技术的进步和工艺水平的提高, 微加速度计的研究取得了令人瞩目的进步[ 1] 。未来微加速度计的发展空间在于其高精度、集成化、多轴化[ 2] 。当物体在平面上运动时, 需测量两个方向的加速度, 可以使用两个加速度计合成的方式, 但伴随占用面积大、测量精度低等一系列问题[ 3-4 ] 。本论文提出了一种新型的基于体硅工艺的梳状电极电容式双轴加速度传感器, 检测部分采用变面积、差动式的敏感结构, 具有结构简单、动态响应好、能实现无接触式测量、灵敏度好、分辨率高、线性好等优点, 可实现加速度计结构和接口电路的双片集成, 精确测得平面上的加速度, 并对此加速度传感器结构部分进行了设计、模拟分析、版图设计、工艺加工及封装测试分析等方面的工作。
1 加速度计模型
硅微加速度计由单一敏感质量块M 构成, 这个质量块由四组弹性元件附于固定支架上, 结构部分采用全对称结构。
双轴加速度传感器的工作原理可以等效为平面上两个相互垂直的二阶质量) 弹簧) 阻尼系统。加速度通过敏感质量形成惯性力作用于系统。图1 为双轴加速度传感器的力学模型。
对于每一个敏感方向, 根据牛顿第二定律, 可以用二阶微分方程表示:
由于加速度传感器采用全对称结构, 因此X 轴与Y 轴的阻尼系数和梁弹性系数一致, 且共用一个敏感质量单元, 则X 轴和Y 轴的二阶系统一致。
2 梳状电极加速度计检测原理
由于加速度本身很难直接测量, 所以加速度传感器通过惯性质量将其转化为力进行测量。其中电容式加速度传感器利用敏感部分将被测的加速度信号转换为电容变化量, 再通过外围信号调理电路处理, 实现加速度的线性输出。电容式结构将加速度物理量转变为电信号的方法有变间隙、变面积、变介电常数3 种[ 5] 。本文采用变面积电极结构, 在结构上避免了差分电容引入的非线性[ 6] 。在外加加速度信号时, 弹性梁将在质量块产生的惯性力作用下发生形变, 引起电容两极板交叠面积的变化, 而交叠面积的变化又将引起电容值的变化, 通过测量该电容值的变化就可以测得加速度的大小。
如图2( b) 所示, 当外加加速度不为零时, 检测质量块偏离平衡位置, 活动梳齿与固定梳齿交叠长度发生变化, 变为:
由上式可知, 差分电容变化量△C 与梳齿的交叠长度变化量△L 完全成线性关系。因此本文所设计的双轴加速度传感器采用的变面积差分电容式输出, 可以很好的实现线性检测, 理论上由加速度传感器结构部分引入的非线性为零( 见式8) 。
3 有限元分析
各传感器结构性能参数之间有很多是互为消长, 相互矛盾的量, 因此在结构设计中充分考虑各个因素的影响, 得到优化的结果。
利用有限元分析软件对加速度传感器结构进行建模、仿真, 得到结构整体质量为1. 174 mgn , 静态检测电容为3. 54 pF。加速度计结构在敏感方向1 gn 载荷的作用下, 产生的最大位移为该方向的机械灵敏度, 结果表明此双轴加速度传感器的X 和Y 轴的机械灵敏度皆为32. 6 nm/ gn , 电容分辨率为2. 31 fF/ gn。不同方向加载5 000 gn 载荷时, 结构内部产生的最大应力为201 MPa, 而硅材料所能承受的最大应力为7 GPa, 可见, 该结构抗过载能力远大于5 000 gn。
根据有限元模态分析, 得到一阶模态振型为Y方向, 谐振频率为2 774 Hz, 二阶模态振型为X 方向, 谐振频率为2 775 Hz。其分析结果如图3 和表1 所示。
由结果可以看出前两阶谐振方向为敏感方向,分别对应敏感质量块受到惯性力作用下在Y、X 方向的变形, 第三阶谐振方向为绕Z 轴的扭转模态,第四阶模态谐振频率为检测模态的两倍, 这说明此双轴加速度计工作时可以避免高阶模态干扰。
对加速度传感器进行幅频特性分析, 可以得出系统的工作带宽。如图4 所示, 图( a) 、( b) 分别为X方向和Y 方向的频响。
如上图所示, X 方向与Y 方向的频响特性一致, 谐振频率皆为2. 75 kHz, 且能实现1. 5 kHz 的带宽。
4 加速度计测试结果分析
经过MEMS 工艺加工制作出的芯片尺寸为5 260 um x 5 260 um, 图5 为传感器芯片的SEM 照片, 由于加速度计结构完全对称, 现给出1/ 4 结构的芯片照片。
本文中加速度传感器测试是在中国电子科技集团公司第四十九研究所完成的, 采用电动式振动台正弦激励法对双轴加速度传感器进行了灵敏度、非线性、频响的测试。将加速度传感器芯片在振动台的中间固定, 待测敏感方向垂直于振动台, 在单一正弦振动下测量, 随振动加速度值的改变, 加速度传感器敏感方向的载荷也随之改变, 通过测试加速度传感器的输出电压值来获得传感器的各特性参数。
加速度传感器的灵敏度测试、非线性测试在振动台参考频率为160 Hz 下完成。测试结果如图6给出所示。
采用最小二乘法生成拟合直线, 如上图所示, 得到拟和直线关系式:
Y = 2. 26 + 33. 78 * X ( 9)
由式( 9) 可得, 此加速度传感器的电学灵敏度为33. 78 mV/ gn。
可以看出, 此加速度传感器的线性度良好。经计算得到20 gn 量程内的非线性为0. 18%, 10 gn 量程内的非线性为0. 08% 。
在敏感方向加载加速度幅值为2 gn 的振动信号, 测试了500~ 4 000 Hz 的频率响应, 得到幅频特性曲线如图7 所示。
由实验曲线测得该加速度计的幅频特性曲线的最大幅值出现在f= 2 400 Hz 处, 即此加速度计检测方向的谐振频率为2. 4 kHz。这与设计值基本吻合, 略小于设计值是由于传感器制作工艺中, 光刻时存在线条损失, 使弹性梁梁宽变窄, 弹性系数K 变小, 从而引起谐振频率变小。从图7 中可以看到加速度计在低频情况下曲线比较平滑, 有很好的频响特性, 可以实现1 500 Hz 的带宽。
5 结论
本文介绍了一种新型的双轴加速度传感器结构的设计, 采用全对称结构, 保证两检测方向特性一致, 而电容检测部分采用变面积、差动式的梳状电极结构, 在结构上来避免差分电容引入的非线性, 且增大了电容检测量, 提高检测精度, 降低检测噪声。通过对加速度传感器的测试, 得到其灵敏度、谐振频率、带宽及非线性度。加工完成后的双轴加速度传感器较好地实现了设计要求, 有很好的实用价值。
参考文献:
[ 1] 程未, 曾晓鹭, 卞剑涛. 基于MEMS 技术的微电容式加速度传感器的设计[ J] . 传感器技术, 2003, 22( 8) : 75- 77.
[ 2] 张睿. 微机械加速度计的应用和发展趋势[ J ] . 东莞理工学院学报, 2007, 14( 1) : 127-130.
[ 3] 刘宗林, 李圣怡, 吴学中. 新型三轴微加速度计设计[ J] . 传感技术学报, 2004, ( 3) : 488-491.
[ 4] 任杰, 樊尚春. 一种双轴电容式微机械加速度计[ J ] . 传感技术学报, 2006, 19( 5) : 2174-2176.
[ 5] 王文涛, 耿增建. 单轴硅微加速度传感器的原理与电路设计[ J] . 传感器技术, 2005, 14: 92-94.
[ 6] 李宝清, 陆德任, 王渭源. 栅结构电容式卫星加速度传感器[ P] . 中国专利: ZL98224575. 2, 1998-07-14.
