硅微機(jī)械二維加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、 2009年第28卷第7期傳感器與微系統(tǒng)(Transducer and M icr osyste m Technol ogies 71硅微機(jī)械二維加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鮑路路1, 23, 孔德義, 林丙濤11, 2, 江儒龍1, 2(1. 中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽合肥230031;2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 安徽合肥230027摘要:提出了一種新型的雙軸電容式微機(jī)械加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式。采用1個(gè)質(zhì)量塊敏感2個(gè)正交方向的加速度, 設(shè)計(jì)的彈性支撐結(jié)構(gòu)巧妙地實(shí)現(xiàn)了正交方向的解耦, 且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。詳細(xì)討論了該加速度計(jì)的工作原理, 并利用有限元軟件對(duì)敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)和模態(tài)分

2、析, 微機(jī)械加速度計(jì)整體結(jié)構(gòu)的可行性。關(guān)鍵詞:微加速度計(jì); 梳狀電極; 有限元仿真中圖分類號(hào):TP 203文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A -( -03D l mach i n ed accelero m eter223, K ONG De 2yi , L IN B ing 2tao11, 2, J I A NG Ru 2l ong1, 2(1. St a te Key Labora tory of Tran sducer Technology, I n stitute of I n telli gen tM ach i n es,Ch i n ese Acade m y of Sc i enes, Hefe

3、i 230031, Ch i n a;2. Un i versity of Sc i ence &Technology of Ch i n a, Hefe i 230027, Ch i n aAbstract :A novel structure of dual 2axis capacitive m icr omachined acceler ometer is intr oduced . A p r oof mass is sensitive t o t w o orthogonal accelerati ons . The full sy mmetry structure with

4、 comb fingers makes cleverly the decoup ling of t w o orthogonal accelerati ons and has high stability . After discussing the work p rinci p le of this ele ment, the modality and static analysis are used by ANSYS . The results show that the structure can fulfill the design de mands in theory .Key wo

5、rds :acceler ometer; comb electr ode; FE M0引言設(shè)計(jì), 它由方形質(zhì)量塊、四組L 型的支撐梁和均勻分布在質(zhì)量塊四周的四組梳齒式電極組成, 如圖1所示。當(dāng)質(zhì)量塊受到水平面內(nèi)2個(gè)方向的加速度作用時(shí), 將引起移動(dòng)梳齒和固定梳齒交疊面積、齒間距離的變化。再通過后端的差分電容檢測(cè)電路, 即可測(cè)出加速度值的大小。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是:1 結(jié)構(gòu)部分采用全對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 配合后端的差分式電容檢測(cè), 能有效地抑制交叉耦合干擾; 2 固定硅微機(jī)械加速度計(jì)的研究始于20世紀(jì)70年代初, 并在80年代末形成了單軸微機(jī)械加速度計(jì)產(chǎn)品, 20世紀(jì)90年代末出現(xiàn)了多軸的微機(jī)械加速度計(jì)

6、。未來加速度計(jì)1的發(fā)展空間在于其高精度、集成化、多軸化。當(dāng)物體在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí), 需要同時(shí)測(cè)量2個(gè)正交方向的加速度值, 所以, 需要雙軸的微加速度計(jì)。雙軸硅微機(jī)械加速度計(jì)有3種構(gòu)成形式:1 將2只單軸微加速度計(jì)正交地封裝在一起; 2 將2只單軸微加速度計(jì)制作在同一塊襯底上; 3 采用一體化設(shè)計(jì), 用1個(gè)質(zhì)量塊實(shí)現(xiàn)二維加速度的測(cè)量。前2種形式的雙軸微加速度計(jì)具有裝配困難、穩(wěn)定性差、精度低、體積大、成本高等缺點(diǎn), 而第三種形式的雙軸加速度計(jì)體積小、重量輕、精度高, 是設(shè)計(jì)雙軸加速度計(jì)的理想方案2。1結(jié)構(gòu)方案與工作原理圖1雙軸微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖F i g 1Structure d i a gram

7、 of dua l 2ax is accelerom eter本文設(shè)計(jì)的雙軸梳齒電容式硅微加速度計(jì)采用一體化收稿日期:2009-02-203基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60574093, 60871037 傳感器與微系統(tǒng)第28卷72梳齒均直接連接到錨區(qū), 不需要單獨(dú)鍵合, 降低工藝難度;3 多組移動(dòng)梳齒和固定梳齒平行放置, 有效地增大了初始假設(shè), 質(zhì)量塊沿x 和y 方向的微位移分別表示為x 和y, 結(jié)合公式(2 和圖2中的移動(dòng)梳齒的微位移分布, 可求得各區(qū)域電容的變化值為C A =±y -d 0hl h d 022電容的值, 為后端檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)提供方便。雙軸加速度計(jì)的工作原

8、理可以等效為平面上2 個(gè)相互垂直的質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng), 加速度通過敏感質(zhì)量塊形成慣性力作用于系統(tǒng)。由于加速度計(jì)采用全對(duì)稱結(jié)構(gòu), 因此,x 方向和y 方向的彈性梁系數(shù)和阻尼系數(shù)相等, 且共用一個(gè)xC B =±y +d 0hhl h d 02x.(3敏感質(zhì)量單元, 則x 軸和y 軸的二階系統(tǒng)一致, 等價(jià)為2個(gè)正交的一維加速度計(jì)系統(tǒng)。由于加速度本身很難直接測(cè)量, 所以, 加速度計(jì)通過慣性質(zhì)量將其轉(zhuǎn)換為力進(jìn)行測(cè)量。其中, 電容式加速度計(jì)利用敏感元件將被測(cè)的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電容變化量, 再通過外圍信號(hào)調(diào)理電路處理, 實(shí)現(xiàn)加速度的線性輸出。在設(shè)計(jì)梳齒電容時(shí), 采用的是定齒偏置的微機(jī)械結(jié)構(gòu)在于, ,

9、 , 110左右。因此, , 可忽略距離大的一側(cè)的電容量。且質(zhì)量塊兩側(cè)的梳齒電容并聯(lián)后整體上形成差分對(duì), 作為檢測(cè)電路的輸入。兩平行梳齒之間的電容C 和由微小位移變化引起的電容變化量C 為C =lh =, d d hlhdd 2(1 (2C C =±x +d 0hl h d 02y yC D =±x -d 0l h d 0x y x =-C B -C A =2l 0h 0d 02x , y .(4C y =C D -C C =C D -C C =-2l h d 02(5從上2個(gè)方程可以看出:只要將C A , C B 和C C , C D 分別作為后端電容檢測(cè)電路的差分輸入信

10、號(hào), 就能夠?qū)⒓铀俣仁噶糠纸? 并測(cè)量出其沿x 方向和y 方向的分量值。顯然在上述的推導(dǎo)中, 沒有考慮z 方向的加速度分量, 事實(shí)上質(zhì)量塊沿z 方向的偏移也僅相當(dāng)于引入了一組共模信號(hào), 不會(huì)對(duì)x, y 方向的差分輸入產(chǎn)生影響。2參數(shù)設(shè)計(jì)C =l -d , 該雙軸加速度計(jì)的具體設(shè)計(jì)指標(biāo):量程為±5g n , 分辨率為50g n , 2個(gè)正交方向的敏感結(jié)構(gòu)頻率達(dá)2kHz 以上。由于雙軸加速度計(jì)需要同時(shí)響應(yīng)x 和y 方向的加速度分量, 所以, 敏感結(jié)構(gòu)沿這2個(gè)方向的彈性系數(shù)必須相等, 這樣, 才能保證2個(gè)敏感方向具有相同的靈敏度和諧振頻率。圖1中的微機(jī)械結(jié)構(gòu)可簡化為圖3所示的形式。為介電常

11、數(shù); l 為梳齒間的交疊長度; h 0為梳齒的式中厚度; d 為梳齒的間距。如圖1所示, 當(dāng)敏感元件僅受到沿x 正方向的加速度作用時(shí), 區(qū)域A 中的梳齒電容減小, 而區(qū)域B 中的梳齒電容增大, 兩者能產(chǎn)成差分信號(hào)。而此時(shí)區(qū)域C 與區(qū)域D 中的梳齒電容是同極性變化的, 僅產(chǎn)生共模信號(hào), 而不產(chǎn)生差分輸出。同理, 當(dāng)敏感元件僅受到y(tǒng) 方向的加速度時(shí), 區(qū)域C 與區(qū)域D 中的梳齒電容能產(chǎn)生差分信號(hào), 而區(qū)域A 與區(qū)域B 中的梳齒僅產(chǎn)生共模信號(hào)。重點(diǎn)分析當(dāng)x 和y 方向同時(shí)有加速度作用時(shí), 各區(qū)域梳齒電容的變化情況, 如圖2所示。圖3雙軸加速度計(jì)微結(jié)構(gòu)的簡化示意圖F i g 3S i m pli f

12、i ed structure d i a gram of dua l 2ax is accelerom eter據(jù)此, 可求得該微結(jié)構(gòu)沿敏感方向的彈性系數(shù)和諧振頻率分別為3t tK x =K y =43E =3E ,2L L f 33(62=m 2mL33, (7式中w, L, t 分別為梁的寬度、長度、厚度; E 為楊氏模量。圖2各區(qū)域中移動(dòng)梳齒的偏移情況F i g 2Excursi on of m ovable electrodes i n each area加速度計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定, 必須綜合考慮設(shè)計(jì)指標(biāo)、加工工藝、力學(xué)約束等相關(guān)因素4。按照上述要求, 針對(duì)圖1 第7期鮑路路, 等:硅微機(jī)

13、械二維加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)形式, 用M atlab 進(jìn)行了結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算和器件性能指標(biāo)的分析, 最終確定的結(jié)構(gòu)參數(shù):質(zhì)量塊為1200m ×1200m ×40m, L 梁的單邊尺寸為475m ×4m ×40m, 移動(dòng)梳齒的參數(shù)為140m ×8m ×40m, 其中, 梳73另由公式(7 計(jì)算出來的敏感方向的諧振頻率為2. 70kHz, 而利用有限元軟件的模態(tài)分析功能, 得到的前五階響應(yīng)頻率分別為2. 75, 2. 78, 3. 78, 6. 19, 9. 48kHz, 理論值與仿真結(jié)果比較符合。且由仿真結(jié)果可以看出:前兩階諧振方向?yàn)?/p>

14、敏感方向, 分別對(duì)應(yīng)敏感元件受到慣性力作用下沿x, y 方向的變形, 且工作模態(tài)與其他模態(tài)相差很大, 這說明此雙軸加速度計(jì)工作時(shí)可以避免高階模態(tài)的干擾。最后, 由公式(4 、公式(5 可計(jì)算得出該二維加速度計(jì)沿兩敏感方向的靈敏度為15. 64fF /g n 。4結(jié)論齒交叉部分長110m, 總齒數(shù)為24×2×4。梳齒間隙分別為3m 和40m 。3有限元仿真與結(jié)果分析采用有限元方法, 用ANSYS 軟件對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。首先, 建立加速度計(jì)的ANSYS 模型, 選用了45節(jié)點(diǎn)的Solid 單元, 進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析和模態(tài)分析。從結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖和變形圖可知, 最大應(yīng)力發(fā)生在

15、懸臂梁與質(zhì)量塊的連接處。當(dāng)加速度計(jì)工作在滿量程狀態(tài)時(shí), 整個(gè)敏感結(jié)構(gòu)的微位移約為0. 165m, 4所示, , 分、性能參、模態(tài)分析, 實(shí)現(xiàn)的性能指標(biāo):量程為±5g n , 靈敏度為15. 64fF /g n , 2個(gè)正交方向的諧振頻率達(dá)2. 7kHz 以上。該雙軸加速度計(jì)的敏感元件可利用體硅溶解薄片工藝制作5, 整個(gè)過程共需要3塊掩模板、三次光刻。它是一種方法簡單、成本較低的微機(jī)械加工方式, 整個(gè)工藝只需單面處理, 因而成品率高。該二維加速度計(jì)可望圖4加速度計(jì)滿量程工作時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變圖F i g 4D i gram for stress and stra i n of accele

16、rom eter a t full range用于振動(dòng)測(cè)量、低速慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域。參考文獻(xiàn):1Kruager, Grace R. New changes for m icr osyste m s technol ogy inaut omotive app licati onsJ .MST Ne ws, 2001(1 :4-7.2Bao M H. M icr o mechanical transducers:Pressure sens ors, acce 2ler ometers and gyr oscopesM.The Netherlands:Elsevier Scien 2ce L td, 2

17、000:47-48.3Behraad Bahreyni, Farshid Najafi, Cyrus Shafai . Piez oresistive sensingwith t w in 2bea m structures in standard ME MS f oundry pr ocessesJ.Sens ors and Actuat ors A:Physical, 2006(127 :325-331.4任杰, 樊尚春. 一種雙軸電容式微機(jī)械加速度計(jì)J .傳感整個(gè)硅微加速度計(jì)敏感元件的質(zhì)量約為0. 157mg, 而結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)根據(jù)公式(6 計(jì)算為45. 38N /m。據(jù)此可知, 微加速

18、度計(jì)受到沿敏感方向1g n 加速度作用時(shí), 其微位移的理論值約為33. 47n m 。而通過有限元仿真得到的結(jié)果如表1所示, 兩者基本吻合。從表中還可以看出:微加速度計(jì)沿兩敏感方向的靈敏度基本相等, 且均遠(yuǎn)高于非敏感方向的靈敏度。表1敏感元件在1g n 加速度下的微位移Tab 1D ispl ace m en ts of sen siti ve elem en t under 1g n accelera ti on s加速度值(g n a x =1a y =1a z =1a x =a y =1微位移分量x (n m 33. 0732. 670. 0233. 27技術(shù)學(xué)報(bào), 2006, 19(5 :2174-2176.z (n m 0. 090. 104. 530. 11y (n m 0. 510. 470. 0232. 855單建華, 孔德義, 林丙濤, 等. 硅微機(jī)械二維傾角傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)J .微細(xì)加工技術(shù), 2007(3 :60-64.作者簡介:鮑路路(1986- , 男, 江蘇宿遷人, 碩士研究生, 從事微電子設(shè)計(jì)與ME MS 傳感器研究。(上接第58頁6趙春暉. 數(shù)字形態(tài)器濾波理論及其算法研究M.北京:高等法J .電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2003, 27(19 :25-29.9王濟(jì), 胡曉. Matlab 在振動(dòng)信號(hào)處理中