随着硅微机械技术的不断发展, 基于压阻原理的微加速度计已经成为商品. 由于硅的优良机械性能, 这些微加速度计往往具有较高的抗过载能力[ 1-3] . 然而, 有些物理过程存在相差上百倍的多个加速度值需要测量, 如分析弹体在发射和飞行过程中的受力情况, 既需要测试发射过程中上万个g 的加速度, 也需要测试飞行过程中几个g 的加速度. 这些值无法通过一个微加速度计完成测试[ 4-6] .
本文介绍的是一种具有四个量程的复合量程微加速度计, 其量程分别为100 g、500 g 、1000 g 和2000 g. 由于该复合量程微加速度计中各个传感器具有不同的测试灵敏度, 因此, 将其运用于变加速度值的物理过程可以进行精确测量.
1 复合量程微加速度计的结构设计
本文所设计的压阻式[7] 复合量程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, 导致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 为传感器的工作电压. 所设计的复合量程微加速度计总体结构如图2所示, 结构中四个传感器的量程各不相同, 分别为100 gn、500 gn、1000 gn 和2000 gn . 为了最大限度地提高器件性能并降低设计、加工难度, 该阵列中各传感器的质量块、梁的厚度分别对应相等, 所有梁的长度相同. 四个传感器在结构上的不同之处在于梁的宽度和质量块同侧两根梁之间的中心距: 对应于四个量程的传感器结构, 其梁宽分别为80、120、160 和220 Lm, 梁的中心距分别为1120、1080、1040 和980 um. 通过理论计算及仿真验证, 可知该结构中四种量程的传感器结构具有如表1 所示的性能参数.
2 复合量程微加速度计的抗过载仿真
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[ 8-9] . 所设计的复合量程微加速度计在运输和勤务处理过程中可能会发生磕碰或跌落, 产生较大的冲击载荷. 综合考虑要求该复合量程微加速度计能承受20 000 g 的加速度载荷. 为了满足这一性能要求, 该复合量程微加速度计采用了静电键合双层结构, 如图3 所示. 上面一层为硅结构层, 包括框架、质量块和四根梁, 下面一层为玻璃盖板, 起过载保护作用. 通过减薄质量块控制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.
由于复合量程微加速计中四个传感器具有相似的结构尺寸, 下面仅以量程为100 gn 的结构为例进行抗过载性能的仿真与分析. 通过仿真可知, 当作用在结构上的加速度载荷a1= 13 596 gn 时, 质量块在z 方向上振动的最大位移量达到5 um, 如图4 所示, 也即质量块下底面与玻璃盖板上表面相接触. 相应地, 加速度a1 在梁上产生最大应力值Rmax1= 907. 957 MPa. 当实际加速度a2 ( 大于a1 , 设为20 000 g) 作用于结构时, 由于质量块已经被限位, 因此需要单独分析四根梁在a2 作用下的应力分布情况, 此时在梁的根部存在最大应力Rmax2 = 8. 287 MPa, 如图5 所示. 此时得到梁上总体应力值Rmax1+ Rmax2= 916. 244Rmax1MPa, 远小于硅材料的屈服强度( 7 GPa) . 因此, 该结构能够承受加速度a2 =20 000 gn 的加速度载荷.
同理, 得到复合量程微加速度计中量程为500 gn 的结构在20 000 gn 加速度载荷作用下梁上总体应力的最大值为934. 408 MPa. 而对于量程为1 000 gn 和2 000 gn 的结构, 在20 000 gn 的载荷作用下, 质量块的最大位移量小于5 Lm, 也即5 um 的间距对质量起不到限位作用. 此时, 只需根据结构在20 000 g n 的加速度载荷作用下梁上的最大应力值来判断其能否承受该载荷作用. 根据仿真,得到1 000 gn 和2 000 gn 量程的两种结构在该加速度作用下的应力值分别为710. 69 MPa 和524.156 MPa. 所以, 该复合量程微加速度计中的四种结构都具有20 000 g n 的抗过载能力.
3 复合量程微加速度计的加工工艺
本文所研究的复合量程微加速度计其加工的整套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三部分. 其中硅工艺是整个工艺流程的核心部分[ 10-12] .
3. 1 硅工艺
综合考虑器件性能及国内现有的工艺条件, 该复合量程微加速度计采用了体硅微加工工艺. 加工时采用的是400 um 双抛光N 型( 100) 硅片. 首先在硅片上通过热氧化形成氧化硅层, 通过硼离子注入, 在硅结构层表面形成P-压阻区; 再通过浓硼扩散形成P+ 欧姆接触区; 由于传感器产生的信号非常微弱, 其工作环境可能存在的各种不稳定因素将严重影响传感器信号的检测, 因此需要在结构中进行抗干扰设计: 通过浓磷扩散, 形成抗干扰的N +层; 以SiO2 和Si3N4 为KOH 腐蚀的掩护层, 第一次背腔腐蚀形成质量块和深槽; 第二次背腔腐蚀, 减薄质量块, 并形成键合引线浅槽; RIE 正面Si3N4 /SiO2 / Si3 N4 , 形成引线孔和铝引线; RIE SiO2 , ICP刻蚀Si, 释放结构. 硅工艺流程如图6 所示.
3. 2 玻璃工艺和静电键合工艺
玻璃工艺所用的材料为Plan-opt ik Borof loat33 玻璃, 厚度为525 m. 通过一次光刻在质量块正下方的玻璃上刻蚀出电极, 在键合位置形成金属指状结构, 使硅结构和玻璃结构等电位, 以避免质量块在键合过程中被吸合, 光刻版图如图7 所示. 随后将玻璃结构与硅结构通过静电键合制作在一起, 最终得到复合量程微加速度计.
4 复合量程微加速度计的测试
经北京大学微电子研究所加工得到的复合量程微加速度计如图8 所示, 在初步测试阶段, 该传感器阵列采用了直插平台式金属外壳封装, 该方式具有散热性及电磁屏蔽性好的特点, 如图9 所示为封装后照片.
为了测试复合量程微加速度计中的四个传感器的线性度和频率响应特性, 本文采用TV5220 振动台及其配套仪器( 如图10 所示) 对器件进行了测试. 将被测微加速度计与对比传感器( 丹麦BK 公司生产)固定在振动台上, 利用振动台产生的不同线振动加速度作为输入来测试两个加速度计的输出. 在进行线性度测试时, 为了尽量满足静态测试要求, 将振动台的频率值设定为100 Hz, 随后在0~ 55 gn ( 振动台振动的最大加速度值为60 gn ) 的范围内给器件加载加速度, 并观测其输出. 对于100 gn 量程的结构, 得到的试验数据如表2 所示. 绘出该传感器的输出电压与振动加速度之间的关系曲线及其拟合曲线如图11 所示. 通过计算拟合曲线与试验数据曲线之间的偏差,得到该传感器的线性度为1. 50%. 同理, 得到其余三种传感器结构的线性度分别为1. 48%、2. 32% 和2.47% . 从上面的分析可知, 该复合量程微加速度计具有较好的线性性质, 可以同时测量处于四个量程范围内的加速度值. 在进行频率响应特性测试时, 振动台首先在定频160 Hz、振幅10 gn 下振动, 求得此频率下传感器的输出灵敏度, 并以此为基准( 对应于扫频图中纵坐标的1) , 随后在5 Hz~ 3000 Hz 范围内对传感器进行扫频. 采用半导体特性分析仪( Angilent4156C) 对微加速度计的输出进行分析, 得到100 gn量程的传感器其频率响应曲线如图12 所示.
5 结 论
本文设计了一种复合了四种量程的压阻式微加速度计, 并对其进行了抗过载性能的分析. 采用体硅加工工艺加工了该复合量程微加速度计, 并对其进行了初步测试, 测试结果表明该复合量程微加速度计具有较好的线性度, 可以同时工作在四个量程.
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