微加速度计设计

1、 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement微加速度计设计微加速度计设计 中北大学 微米纳米技术研究中心 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement1.量程:0A g、0B g、0C g和0D g性能指标性能指标2.抗过载能力大于M g 3.频响范围：N Hz North University of China

2、 Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement第一阶段第一阶段 知识的积累知识的积累 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement一、压阻式微加速度计的工作原理一、压阻式微加速度计的工作原理 以单晶硅为例，当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电阻率发生显著变化的效应称为压阻效应。 压阻式微传感器结构压阻效应压阻效应工作原理工作原理 North University of

3、 China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic MeasurementR1R2R3R4iioURRURRRRRRRRRRRRU434344212122RRtstRRt11st11压敏电阻的相对变化量与应力的关系为在平衡情况下0434212ioURRRRRRU在加速度作用下惠斯通电桥连接itoUUt11所以有 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement二、硅材料的选择二、硅材料

4、的选择室温下，N型和P型硅电阻的11、12、44的数值如下。 11、12、44的数值 （10-11 m2/N）晶 体电阻类型111244SiPN+6.6-102.2-7.1+53.4+138.1-13.6 为了使所设计的传感器具有较高的结构灵敏度（输出灵敏度），可以选用N型（100）硅片，在硅片的、晶向上通过硼离子注入得到P型压敏电阻。从而可以利用最大压阻系数44。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic MeasurementN型硅P型电阻条 P型硅N型电阻条 结论：设

5、计压阻式微加速度计时，采用N型(100)硅片其输出灵敏度比采用P型(100)硅片的输出灵敏度高2倍以上。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement三、典型结构分析三、典型结构分析(a)单悬臂梁 (b)双悬臂梁 (c)双端梁(d)双岛五梁 (e)双端四梁 (f) 四边梁结构 （g）八梁结构 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic

6、Measurement (a)和(b)为悬臂梁式悬臂梁式结构，优点是灵敏度高，但其一阶固有频率低，频率响应范围窄，且横向灵敏度较大。 (c)(g)为固支梁固支梁结构 ，其一阶固有频率比悬臂梁式结构高一阶固有频率比悬臂梁式结构高得多得多，有利于扩大传感器的频率响应范围。但在电桥中压敏电阻数量相同的情况下，其灵敏度低于悬臂梁式结构其灵敏度低于悬臂梁式结构。 (g)图所示的四边八梁结构横向灵敏度最低，但其输出灵敏度也最低。 综合考虑，所要设计的传感器采用 双端四梁结构双端四梁结构(e)(e)，该结构在保证一定的输出灵敏度的基础上能够较好地解决横向灵敏度的问题。 North University of

7、 China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement四、设计约束四、设计约束材料属性约束材料属性约束硅的材料参数 (m-N-kg)参数EXPRXY弯曲强度断裂强度硅2.3310-151.91050.370-2107000 一般硅材料所能承受的最大应变为 ，为了保证传感器的输出具有较好的线性度，悬臂梁根部所承受的最大应变范围为 。为了满足这个范围，梁根部的最大等效应力值不超过80MPa。31041044105 North University of China Key Laboratory of In

8、strumentation Science & Dynamic Measurement工艺条件约束工艺条件约束 边界约束主要考虑加工工艺的影响，根据某加工单位的实际加工水平提出的约束条件如下： 2) 梁宽（b1）： b1= m； 3) 梁长（L1） ： L1 = m； 5) 质量块厚度（h2） h2频响范围的5倍），一阶振型是否在敏感方向(z方向)内振动。 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 对0-A g结构进行模态分析，得到结构的前五阶固有频率及其前三阶的振型如下所示。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 结构静力学分析是ANSYS 产品的家族中7种结构分析之一，主要用来分析由于稳态外载荷所引起的系统的位移、应力和应变，其中稳态载荷

10、主要包括外部施加的力和压力、稳态的惯性力如重力。 在该结构设计时，在结构上加载满量程加速度值（如为0-A g量程的结构，在进行静力学分析时加载A g的加速度），查看结果时，主要判断梁上的最大等效应力值是否超过硅材料的弯曲强度(80MPa)。2.2.静力学分析静力学分析结构等效应力分布云图 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.路径分析路径分析 在静态求解之后通过路径分析来判断梁上的应力是否线性分布，在得到梁上应力的线性分布区域之后，在应力值最大的线性区域放置压敏电阻。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 应力的线性分布区域为距离梁根部和端部xxx um的范围内。为了最大限度地同时满足传感器灵敏度与线性度要求，选择压敏电阻的放置区域为距离梁根部和端部xxx um。在每个电阻的放置位置处选取三条路径

12、，分析电阻位置处的应力分布情况，求出电阻位置的平均横向应力与纵向应力值。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根据上述方法得到8个电阻位置的平均纵向应力与横向应力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. 输出灵敏度分析输出灵敏度分析ititioUUURRU144t1121ooxxUUs 电桥的输出电压输出灵敏度 aUso5.5.横向输出灵敏度分析横向输出灵敏度分析 分别在x、y轴向加载A g的加速度，求解惠斯通电桥的输出电压，得到x、y方向的横向灵敏度ooyyUUs North University of China Key Laboratory of Instrumentation Sci

15、ence & Dynamic Measurement6. 6. 阻尼的分析与设计阻尼的分析与设计 在系统中添加粘滞流体，利用流体为结构提供阻尼力可以降低结构的振动幅值，避免结构因共振而损坏。 将梁-质量块结构等效为弹簧、阻尼器、质量块构成的二阶单自由度振动系统 ，如图所示。经分析，得ckm 加速度计等效模型 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 阻尼的设计可以通过静电键合技术，在硅结构层的下面制作玻璃盖板实现。由流体力学的雷诺方程可知，调

16、节质量块-玻璃盖板间距可以调节阻尼参数。331dbabac5 , 3 , 1552tanh11921nabnnbaba其中 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement因此得到阻尼比与质量块-玻璃盖板间距之间的关系，如图。33122dmkbabamkc阻尼比的计算公式 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距离为xxx um。得到四种结构的阻尼比分别为w1、w2、w3和w4。 North University o

17、f China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement7.7.抗过载能力分析与设计抗过载能力分析与设计 硅结构层包括框架、质量块和四根梁 ；下层为玻璃结构。静电键合间距为5um。以量程为A g的结构为例进行抗过载性能的仿真与分析。 当作用在结构上的加速度载荷1axxxxx g时，质量块在z方向上振动的最大位移量达到5um，起到了限位保护作用。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynam

18、ic Measurement 复合量程微加速度计结构示意图 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement第三阶段第三阶段 工艺设计与仿真工艺设计与仿真 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 加工复合量程微加速度计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。 一、硅工艺一、硅工艺1、备

19、片：N型(100)硅片2、形成P-电阻区3、形成P+欧姆接触区 4、第一次KOH背腔腐蚀，形成背腔5、第二次KOH背腔腐蚀，减薄质量块6、正面光刻引线孔7、正面溅射金属铝8、以铝为掩模，正面ICP，释放结构9、正面光刻将铝层图形化做出导线 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurementa) 形成P-区b) 形成P+区c) 形成N+区d) 第一次背腔腐蚀e) 第二次背腔腐蚀f) 形成引线孔g) 铝金属引线、释放结构P-SiO2P+N+Si3N4凹槽SiAl硅

20、加工工艺流程 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic MeasurementB离子注入，形成P-区 浓硼掺杂，形成P+区 第一次背腔腐蚀 第二次背腔腐蚀 正面ICP刻蚀释放结构 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement二、玻璃工艺与静电键合二、玻璃工艺与静电键合 玻璃工艺所用的材料为Plan-optik Borofloat 33

21、玻璃，厚度为xxxxm。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。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。 传感器结构简图 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement三、版图设计三、版图设计复合量程微加速度计的整体结构 共九张版图，分别为P-压阻版、P+欧姆接触版、N版、背腔版1、背腔版2、引线孔版、金属引线版、正面穿通版、金属电

22、极版。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement1.P-1.P-压阻版压阻版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement2. P+2. P+欧姆接触版欧姆接触版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science &

23、Dynamic Measurement3. N+3. N+抗干扰版抗干扰版 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.引线孔版引线孔版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Me