摘 要: 为了解决现有三轴加速度计机械精度差的问题, 提出了一种基于SOI 的单质量块三轴压阻微加速度计。采用四边四梁结构, 根据梁上扩散的压敏电阻在分别受到三个方向惯性力作用时变化量不同设计三个方向的惠斯通电桥, 实现三维加速度矢量的检测。运用ANSYS 软件对结构进行建模仿真, 最后设计了一套可行的工艺流程。
关键词: 压阻式; 三轴; SOI; 工艺
加速度计作为惯性器件的一种, 在自控、车辆、振动测试和航空航天等领域中有着广泛的应用。压阻式加速度传感器的优点在于动态响应特性及输出线性较好, 频率范围宽, 测量加速度的范围也宽, 直接输出电压信号, 大批量生产时价格低廉, 可重复生产性好, 可直接测量连续的加速度和稳态加速度[ 1 ] 。
进入到90 年代, 单一方向的加速度测试已经不能满足各方面的需求, 在很多应用中需要检测加速度矢量。传统方法是将单轴的加速计组装成一个三轴加速度计, 这种方法降低了加速度计的机械精度和微小化程度[ 2] 。本文提出了一种单质量块三轴结构。在器件加工方面, 采用SOI 材料代替普通硅材料, 即以SiO2 介质隔离代替PN 结隔离, 减小了器件在高温下的漏电, 提高电路的可靠性[ 3-4] 。
1 结构设计
1. 1 结构选择
设计的基于SOI 的单质量块三轴压阻微加速度计采用四边四梁超对称结构( 如图1 所示) , 该结构很好地抑制了非受力方向引起的横向加速度的影响。质量块为结合工艺条件设计的正四棱台结构,通过硅玻静电键合使质量块下底面到玻璃底面的距离为5, 提供适当的阻尼以提高加速度计的瞬态响应特性。
1. 2 结构参数设计[ 5]
本结构在xoy 面内完全对称, 求解计算梁上受力时可将结构简化为一次静不定问题, 四梁简化为二梁结构, 根据材料力学知识可求得梁上任一点的应力为:
式中P 为结构所受惯性力(N) , 为梁上应力( Pa) , E 为杨氏模量取190( GPa) , M 为质量块质量( kg) 。根据加速度计设计性能指标及加工工艺条件, 最终确定该加速度计结构参数如表1 所示。
将表1 中结构参数代入式( 1) 、( 2) 中, 加速度计在Z 向10g 惯性力的作用下, 最大应力值为6. 77MPa, 一阶固有频率为5. 175 kHz。对量程10g 的加速度计而言, 基本符合设计要求。
2 仿真分析
2. 1 稳态分析
根据确定的参数利用AN SYS 软件进行建模。如图2 所示, 当结构受到Z 向10 g 的惯性力时, 所受的最大等效应力值为6. 96 MPa, 与理论计算值非常接近。图3 所示为梁上横向应力( SX ) 、纵向应力( SY ) 及等效应力( SEQ V ) 的应力分布情况, 压敏电阻放置在应力最大且线性变化的区域, 在距离梁根部或质量块20 um 处。
2. 2 模态分析
模态分析可以确定结构的振动特性, 包括结构的自然频率、振型和振型参与系数[ 7] 。利用模态仿真可以求出其固有频率和与之对应的振动形态[ 8] 。通过有限元分析软件ANSYS 对加速度计结构进行模态分析, 采用的提取模态的方法为Block Lanczos。模态分析的结果如表2 所示。
一阶模态为质量块垂直x y 平面沿z 轴的上下运动; 二阶模态为质量块绕y 轴的转动; 三阶模态为质量块绕x 轴转动。其中一阶模态为加速度计的工作模态, 一阶频率为加速度计的固有频率, 从表2 中可以看出, 其它模态的频率与固有频率相差较多, 该加速度计结构的设计合理, 可有效抑制交叉耦合, 使加速度计工作稳定。
3 电桥设计
单质量块三轴压阻加速度计设计的关键为电桥的设计, 该电桥满足的条件为某一方向受到惯性力作用时, 该方向电桥的输出电压应尽量大而其余两个方向的电桥输出电压理论上应为零。图4 所示为电阻的分布式意图, 框架上的六个电阻为调平电阻。
三个方向的电桥如图5 所示, 当加速度计受到X 向的惯性力时, 它的一侧电桥的两个桥臂变化量是相反的, 一个桥臂△R 1 / R1+ △R 4 / R4 为正, 而另一个桥臂△R 5 / R5 + △R 8 / R8 为负, 同时另外的两个电桥一侧的桥臂变化量同为正或同为负, 使输出接近于零, 抑制横向效应。
4 灵敏度及横向效应分析
三个方向的输出灵敏度及横向灵敏度如表3 所示, 从表中可以看出, 该加速度计及电桥的设计可以很好的抑制横向效应。
5 版图设计
使用L- Edit 软件进行版图设计, 图6 为整体版图, 该加速度计的设计版图共八张, 第一张版为P-压阻版, 此版确定了压敏电阻的尺寸及相对位置; 第二张为P+ 欧姆接触版, 实现压阻区与金属引线的欧姆接触; 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 Lm; 第五张为引线孔版, 实现引线和电阻的连接; 第六张为金属引线版,实现器件的电气互连; 第七张版为正面穿透版, 形成梁结构; 第八张为金属电极版, 在玻璃上形成金属电极实现加速度计的自检测功能。
6 工艺流程
该SOI 结构加工的整个工艺流程包括硅工艺流程、玻璃工艺流程和键合划片工艺流程。主要的工艺步骤如图7 所示。
7 结论
本文设计了一种基于SOI 的三轴压阻加速度计, 并对其进行了模态分析、静态分析及各向灵敏度分析。设计可行的加工工艺流程, 并对版图进行了设计, 目前该结构正在加工过程中。
参考文献:
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