微加速度計設計

1、 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement微加速度計設計微加速度計設計 中北大學 微米納米技術研究中心 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement1.量程:0A g、0B g、0C g和0D g性能指標性能指標2.抗過載能力大于M g 3.頻響范圍：N Hz North University of China

2、 Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement第一階段第一階段 知識的積累知識的積累 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement一、壓阻式微加速度計的工作原理一、壓阻式微加速度計的工作原理 以單晶硅為例，當壓力作用在單晶硅上時，硅晶體的電阻率發(fā)生顯著變化的效應稱為壓阻效應。 壓阻式微傳感器結構壓阻效應壓阻效應工作原理工作原理 North University of

3、 China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic MeasurementR1R2R3R4iioURRURRRRRRRRRRRRU434344212122RRtstRRt11st11壓敏電阻的相對變化量與應力的關系為在平衡情況下0434212ioURRRRRRU在加速度作用下惠斯通電橋連接itoUUt11所以有 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement二、硅材料的選擇二、硅材料

4、的選擇室溫下，N型和P型硅電阻的11、12、44的數(shù)值如下。 11、12、44的數(shù)值 （10-11 m2/N）晶 體電阻類型111244SiPN+6.6-102.2-7.1+53.4+138.1-13.6 為了使所設計的傳感器具有較高的結構靈敏度（輸出靈敏度），可以選用N型（100）硅片，在硅片的、晶向上通過硼離子注入得到P型壓敏電阻。從而可以利用最大壓阻系數(shù)44。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic MeasurementN型硅P型電阻條 P型硅N型電阻條 結論：設

5、計壓阻式微加速度計時，采用N型(100)硅片其輸出靈敏度比采用P型(100)硅片的輸出靈敏度高2倍以上。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement三、典型結構分析三、典型結構分析(a)單懸臂梁 (b)雙懸臂梁 (c)雙端梁(d)雙島五梁 (e)雙端四梁 (f) 四邊梁結構 （g）八梁結構 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic

6、Measurement (a)和(b)為懸臂梁式懸臂梁式結構，優(yōu)點是靈敏度高，但其一階固有頻率低，頻率響應范圍窄，且橫向靈敏度較大。 (c)(g)為固支梁固支梁結構 ，其一階固有頻率比懸臂梁式結構高一階固有頻率比懸臂梁式結構高得多得多，有利于擴大傳感器的頻率響應范圍。但在電橋中壓敏電阻數(shù)量相同的情況下，其靈敏度低于懸臂梁式結構其靈敏度低于懸臂梁式結構。 (g)圖所示的四邊八梁結構橫向靈敏度最低，但其輸出靈敏度也最低。 綜合考慮，所要設計的傳感器采用 雙端四梁結構雙端四梁結構(e)(e)，該結構在保證一定的輸出靈敏度的基礎上能夠較好地解決橫向靈敏度的問題。 North University of

7、 China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement四、設計約束四、設計約束材料屬性約束材料屬性約束硅的材料參數(shù) (m-N-kg)參數(shù)EXPRXY彎曲強度斷裂強度硅2.3310-151.91050.370-2107000 一般硅材料所能承受的最大應變?yōu)?，為了保證傳感器的輸出具有較好的線性度，懸臂梁根部所承受的最大應變范圍為 。為了滿足這個范圍，梁根部的最大等效應力值不超過80MPa。31041044105 North University of China Key Laboratory of In

8、strumentation Science & Dynamic Measurement工藝條件約束工藝條件約束 邊界約束主要考慮加工工藝的影響，根據(jù)某加工單位的實際加工水平提出的約束條件如下： 2) 梁寬（b1）： b1= m； 3) 梁長（L1） ： L1 = m； 5) 質量塊厚度（h2） h2頻響范圍的5倍），一階振型是否在敏感方向(z方向)內振動。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement SET TIME/FREQ LOAD STE

9、P SUBSTEP CUMULATIVE 1 26908. 1 1 1 2 35464. 1 2 2 3 59671. 1 3 3 4 72029. 1 4 4 5 0.32776E+06 1 5 5 對0-A g結構進行模態(tài)分析，得到結構的前五階固有頻率及其前三階的振型如下所示。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 結構靜力學分析是ANSYS 產品的家族中7種結構分析之一，主要用來分析由于穩(wěn)態(tài)外載荷所引起的系統(tǒng)的位移、應力和應變，其中穩(wěn)態(tài)載荷

10、主要包括外部施加的力和壓力、穩(wěn)態(tài)的慣性力如重力。 在該結構設計時，在結構上加載滿量程加速度值（如為0-A g量程的結構，在進行靜力學分析時加載A g的加速度），查看結果時，主要判斷梁上的最大等效應力值是否超過硅材料的彎曲強度(80MPa)。2.2.靜力學分析靜力學分析結構等效應力分布云圖 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement North University of China Key Laboratory of Instrumentation S

11、cience & Dynamic Measurement3.3.路徑分析路徑分析 在靜態(tài)求解之后通過路徑分析來判斷梁上的應力是否線性分布，在得到梁上應力的線性分布區(qū)域之后，在應力值最大的線性區(qū)域放置壓敏電阻。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 應力的線性分布區(qū)域為距離梁根部和端部xxx um的范圍內。為了最大限度地同時滿足傳感器靈敏度與線性度要求，選擇壓敏電阻的放置區(qū)域為距離梁根部和端部xxx um。在每個電阻的放置位置處選取三條路徑

12、，分析電阻位置處的應力分布情況，求出電阻位置的平均橫向應力與縱向應力值。020406080100-0.50.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.0Average Stress /MPaPosition on R1 /umttRR144t1121 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement根據(jù)上述方法得到8個電阻位置的平均縱向應力與橫向應力444444111117675. 46670

13、65. 055647. 72121tlRR4444443308075775. 40.66641557.4951-2121tlRR4444442210876. 40.663827.55372121tlRR4444444407918575. 40.66407157.4943-2121tlRR4444444408083975. 40.67237957.4893-2121tlRR44444422108095. 40.656727.559472121tlRR444444334.0831530.6673067.4992121tlRR444444114.1071950.6614057.5529852121t

14、lRR North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement4. 4. 輸出靈敏度分析輸出靈敏度分析ititioUUURRU144t1121ooxxUUs 電橋的輸出電壓輸出靈敏度 aUso5.5.橫向輸出靈敏度分析橫向輸出靈敏度分析 分別在x、y軸向加載A g的加速度，求解惠斯通電橋的輸出電壓，得到x、y方向的橫向靈敏度ooyyUUs North University of China Key Laboratory of Instrumentation Sci

15、ence & Dynamic Measurement6. 6. 阻尼的分析與設計阻尼的分析與設計 在系統(tǒng)中添加粘滯流體，利用流體為結構提供阻尼力可以降低結構的振動幅值，避免結構因共振而損壞。 將梁-質量塊結構等效為彈簧、阻尼器、質量塊構成的二階單自由度振動系統(tǒng) ，如圖所示。經分析，得ckm 加速度計等效模型 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 阻尼的設計可以通過靜電鍵合技術，在硅結構層的下面制作玻璃蓋板實現(xiàn)。由流體力學的雷諾方程可知，調

16、節(jié)質量塊-玻璃蓋板間距可以調節(jié)阻尼參數(shù)。331dbabac5 , 3 , 1552tanh11921nabnnbaba其中 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement因此得到阻尼比與質量塊-玻璃蓋板間距之間的關系，如圖。33122dmkbabamkc阻尼比的計算公式 綜合考慮四種結構的性能要求以及工藝實現(xiàn)的精度要求，取質量塊下底面與玻璃蓋板之間的距離為xxx um。得到四種結構的阻尼比分別為w1、w2、w3和w4。 North University o

17、f China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement7.7.抗過載能力分析與設計抗過載能力分析與設計 硅結構層包括框架、質量塊和四根梁 ；下層為玻璃結構。靜電鍵合間距為5um。以量程為A g的結構為例進行抗過載性能的仿真與分析。 當作用在結構上的加速度載荷1axxxxx g時，質量塊在z方向上振動的最大位移量達到5um，起到了限位保護作用。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynam

18、ic Measurement 復合量程微加速度計結構示意圖 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement第三階段第三階段 工藝設計與仿真工藝設計與仿真 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 加工復合量程微加速度計的整套工藝流程包括硅工藝流程、玻璃工藝流程和鍵合劃片工藝流程三部分。 一、硅工藝一、硅工藝1、備

19、片：N型(100)硅片2、形成P-電阻區(qū)3、形成P+歐姆接觸區(qū) 4、第一次KOH背腔腐蝕，形成背腔5、第二次KOH背腔腐蝕，減薄質量塊6、正面光刻引線孔7、正面濺射金屬鋁8、以鋁為掩模，正面ICP，釋放結構9、正面光刻將鋁層圖形化做出導線 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurementa) 形成P-區(qū)b) 形成P+區(qū)c) 形成N+區(qū)d) 第一次背腔腐蝕e) 第二次背腔腐蝕f) 形成引線孔g) 鋁金屬引線、釋放結構P-SiO2P+N+Si3N4凹槽SiAl硅

20、加工工藝流程 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic MeasurementB離子注入，形成P-區(qū) 濃硼摻雜，形成P+區(qū) 第一次背腔腐蝕 第二次背腔腐蝕 正面ICP刻蝕釋放結構 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement二、玻璃工藝與靜電鍵合二、玻璃工藝與靜電鍵合 玻璃工藝所用的材料為Plan-optik Borofloat 33

21、玻璃，厚度為xxxxm。通過一次光刻在質量塊正下方的玻璃上刻蝕出電極，在鍵合位置形成金屬指狀結構，使硅結構和玻璃結構等電位，以避免質量塊在鍵合過程中被吸合。隨后將玻璃結構與硅結構通過靜電鍵合制作在一起，最終得到復合量程微加速度計。 傳感器結構簡圖 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement三、版圖設計三、版圖設計復合量程微加速度計的整體結構 共九張版圖，分別為P-壓阻版、P+歐姆接觸版、N版、背腔版1、背腔版2、引線孔版、金屬引線版、正面穿通版、金屬電

22、極版。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement1.P-1.P-壓阻版壓阻版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement2. P+2. P+歐姆接觸版歐姆接觸版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science &

23、Dynamic Measurement3. N+3. N+抗干擾版抗干擾版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement4. 4. 背腔背腔1 1版版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement5.5.背腔背腔2 2版版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement6.6.引線孔版引線孔版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Me