随着微机械加工工艺的不断发展, 人们对微加速度计的研究日益增多. 压阻式微加速度计因其结构简单、信号易于检测、工艺成熟等优点而备受关注[ 1-4] .然而, 目前所研制的压阻式微加速度计大多存在一个缺点: 动态特性欠佳, 更有甚者, 在第一次之后的测试中根本得不到所需数据. 经分析, 其原因在于: 当外加动态载荷存在与系统的固有频率相等或相近的频率分量时, 系统就会发生共振, 使得质量块-梁结构的运动幅度过大从而导致器件结构损坏[ 5] . 为了避免这一现象发生, 有两种解决办法: 一种是尽量提高器件的固有频率, 但是这种方法却以器件灵敏度的降低为代价; 另一种是在系统中添加粘滞流体, 利用流体为结构提供阻尼力从而降低结构的振动幅值[ 6-9] .
本文以复合量程微加速度计为研究对象, 针对其结构容易损坏的现象进行了阻尼设计--- 利用结构中的空气作为粘滞流体为各个传感器提供阻尼;此外, 本文根据Reynolds 方程推导了阻尼系数、阻尼比与质量块-玻璃盖板距离之间的关系. 综合考虑工程应用要求, 确定该复合量程微加速度计质量块与玻璃盖板之间的键合距离为2. 25 um.
1 复合量程微加速度计的结构设计及其损伤机理
1. 1 复合量程微加速度计的结构设计
本文所设计的复合量程压阻式微加速度计中各传感器均采用双端四梁结构. 即在四根梁上沿着梁长度方向分布八个压敏电阻构成惠斯通电桥, 如图1 所示.当结构受到敏感方向加速度作用时, 质量块上下振动,在四根梁上产生应变, 使得梁根部和端部有最大应力分布, 且根部和端部的应力值关于梁的中心位置近似对称相等. 在应力作用下八个压敏电阻阻值发生变化,近似有( 加工该结构采用N 型(100) 硅片)
其中, U0 为电桥输出电压, Ui 为传感器的输入电压. 所设计的复合量程微加速度计总体结构如图2 所示, 其中四个传感器的量程各不相同, 分别为100 gn、500 gn 、1 000 g n 和2 000 gn . 设计仿真时, 该复合量程微加速度计能承受20 000 gn 的动态冲击载荷作用.
1. 2 复合量程微加速度计的损伤机理分析
经北京大学微电子研究所加工的复合量程微加速度计如图3 和图4 所示. 其中, 图4 为1 000 gn量程的微加速度计照片.
为了测试该复合量程微加速度计是否能承受20 000 gn 的动态载荷, 对该传感器结构进行了马歇特捶击试验, 经过捶击试验的微加速度计用光学显微镜或拉曼光谱仪观察, 可以直接检测其是否被破坏. 试验发现, 当马歇特锤的冲击加速度载荷高于10 000 gn 时, 结构就会被破坏. 如图5 所示分别为四种量程的微加速度计在10 000 gn 冲击加速度载荷作用后梁发生断裂的照片.
从图5 中可以看出, 该复合量程微加速度计中的四个结构在10 000 g n 的动态冲击作用下都发生了结构损坏. 这是因为冲击载荷含有丰富的频率成分, 一旦该载荷具有与微加速度计系统的固有频率值相等或相近的频率成分, 且其幅值较大时, 就有可能引起微加速度计的共振, 使得质量块-梁结构的运动幅度过大从而导致器件结构损坏. 然而, 通过设计阻尼可以有效地降低传感器的共振幅值. 因此, 为了避免在结构中发生因共振引起的损坏, 同时为了提高微加速度计的抗冲击能力, 需要对该复合量程微加速度计结构进行改进设计, 并在设计过程中考虑阻尼因素.
2 阻尼参数的分析与设计
2. 1 二阶系统的分析
和基于其它原理的微加速度计相同, 压阻式微加速度计可简化成由弹簧、阻尼器、质量块构成的二阶单自由度振动系统, 如图6 所示. 根据牛顿第二定律, 可以写出该单自由度二阶系统的力平衡方程式
2. 2 阻尼的分析与设计
为了在结构中设置合理的阻尼比, 在梁-质量块结构的下方通过静电键合制作玻璃盖板, 在质量块下表面与玻璃盖板上表面之间就存在有一定厚度的空气作为粘滞流体为系统提供阻尼. 调节空气的厚度可以实现最佳阻尼比设置.
由于所设计的复合量程微加速度计中各个传感器结构具有相同尺寸的质量块, 因此所设计的四个传感器的阻尼参数只随各结构刚度系数的变化而变化. 下面以量程为100 gn 的结构为例进行阻尼分析与设计.
质量块尺寸及其与盖板之间的位置关系分别如图7 和图8 所示, 其中A 、B 分别为质量块上底面的长度和宽度, 取值分别为1 300 um 和1 500 um; a 、b 分别为质量块下底面的长度和宽度, h 为质量块的总厚度与梁的厚度之差, 取值为365 um, H表示腐蚀形成的角度, 为54. 74b; d 表示质量块下底面与盖板之间的距离, d 表示质量块上下底面间的斜坡与玻璃盖板之间的平均距离. 当结构受到加速度作用时, 质量块上下振动, 其整个下表面都将因挤压空气而受到空气阻尼力的作用. 因此,要分析这个结构中的阻尼, 需要将阻尼力分为两个部分考虑, 即FD= FD1+ FD2 . 其中, FD1为质量块下底面挤压空气受到的阻尼力, FD2 为质量块的四个斜坡面受到的阻尼力. 这两部分阻尼力的产生原因都可以考虑为平行板间的相对平动.
平板间的空气运动可以用流体力学的Reynolds方程[ 10-11] 来描述
当d 取一定值时, 式( 15) 中的第二项相对于第一项要小5 个数量级, 可以忽略不计. 因此阻尼比与板间距之间的关系可以用图9 表示. 如果要使F= 0. 707( 最佳阻尼) , 取d = 2. 43 um .
同理, 计算得到复合量程微加速度计中其余三个结构的板间距分别为2. 27 um、2. 16 um 和2. 05 um. 工程应用中, 阻尼比一般控制在0. 4~0. 9 之间, 综合考虑四种结构的性能要求以及工艺实现的精度要求, 取质量块下底面与玻璃盖板之间的键合距离为2. 25 um, 得到四种结构的阻尼比分别为0. 883、0. 722、0 . 625、和0. 533.
3 结 论
本文设计了一个复合量程压阻式微加速度计, 分析了其在动态冲击加速度载荷作用下的损伤机理. 为了避免结构因共振而被破坏, 同时提高其抗冲击能力,本文在对复合量程微加速度计进行改进时提出采用静电键合技术在各个结构的质量块下面制作玻璃盖板,通过调节质量块下底面与玻璃盖板之间的距离为2.25 um, 得到复合量程微加速度计中四个结构的阻尼比分别为0. 883、0. 722、0. 625、和0. 533.
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