复合量程微加速度计的设计
复合量程MEMS加速度计抗高过载的优化设计
复合量程MEMS加速度计抗高过载的优化设计徐香菊;朱杰;郭涛;李文燕【摘要】在航空航天及武器系统中,传感器承受很大的冲击,这就要求传感器具有很高的抗高过载能力.文中在原有基础上对复合量程微加速度计中的高低量程模块进行抗高过载设计的优化.试验测得优化后的结构能够抗20000g,能够有效地满足高过载高冲击环境的要求.【期刊名称】《弹箭与制导学报》【年(卷),期】2012(032)005【总页数】3页(P149-151)【关键词】抗高过载;复合量程加速度计;ANSYS【作者】徐香菊;朱杰;郭涛;李文燕【作者单位】中北大学电子测试国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051【正文语种】中文【中图分类】TP212.60 引言随着社会的发展，传感器阵列的需求越来越高。
在航空航天及武器系统中，加速度范围广，且要求传感器向着多功能、小型轻量方向发展[1]。
传感器阵列不仅要满足灵敏度、线性度等要求，还要求能抗高过载。
复合量程加速度计利用MEMS工艺制造，覆盖高低量程、低功耗、模块化、通用化、体积小和结构强度高等特点。
而低量程传感器模块能否抗高过载环境，对复合量程微加速度计性能十分重要[2]。
在抗冲击试验中，低量程模块比高量程更容易损坏。
这说明加速度计的抗高过载能力还需进一步优化。
1 理论文中低量程加速度计的量程为10g，高量程为10000g。
因结构类似，下面以低量程结构为例进行介绍。
低量程结构经过分析选用双端四梁结构。
在4根梁上分布8个电阻组成惠斯通电桥。
当加速度计受到Z方向的加速度时质量块上下震动，分布在梁上的电阻由于压阻效用会发生变化，电桥有电压输出。
微加速度计的基本工作原理及工作特点
✓ 单轴微机电加速度计 ✓ 双轴微机电加速度计 ✓ 三轴微机电加速度计
➢ 加工方式：
✓ 微机械表面加工加速度计
✓ 微机械体加工加速度计
目录
1、微加速度计简介 2、微加速度计分类 3、基本工作原理及工作特点 4、总结
基本工作原理及工作特点
质量块的振动（移动）
质量块感知加速度 位移发生变化 测量相应的物理量 整理后得到加速度
m a k x c x + m x cc24kmt am 2m xkqe qe 1
cc24kmt 2m 2
基本工作原理及工作特点
1、压阻式微加速度计
➢压阻效应： 在一块半导体的某一轴向施加一定
的应力时，其电阻率产生变化的现象。
➢工作原理： 当有加速度输入时, 悬臂梁在质量块受到的惯性力牵引下发生
➢工作原理 平板电极和隧道针尖电极距离达到一定的
条件，可以产生隧道电流。 悬臂梁或者双端固支梁支撑惯性质量块，
质量块在惯性力的作用下，位置将发生偏 移，这个偏移量直接影响到隧道电流的变 化，通过检测隧道电流变化量来间接检测 加速度值。
Itunvtunexpx
基本工作原理及工作特点
5、隧道效应型微加速度计
压阻式 散电阻的阻值变化来感 易行，测量范围宽，线性 度系数打，灵敏度
应加速度变化。
度好，重复生产性好。 低。
电容式
利用敏感质量块与固定 电极间距离变化来检测 加速度变化。
结构简单，漂移低，温度 效应小，灵敏度相对较高 ，功耗小。差动式有较好 线性度。
读出电路复杂，易 受寄生电容影响和 电磁干扰。
压电式
基本工作原理及工作特点
4、压电式微加速度计
➢优点： ✓结构比较简单 ✓容易测量
微加速度计原理与应用
微加速度计原理与应用a在20 世纪40 年代初，由德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。
此后的半个多世纪以来，由于航天、航空和航海领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，性能和精度也有了很大的完善和提高。
加速度计面世后作为最重要的惯性仪表之一，用在惯性导航和惯性制导系统中，与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起。
这时候的加速度计整个都很昂贵，使其他领域对它很少问津。
直到微机械加速度计的问世，这种状况才发生了改变。
随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功，应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计就是惯性传感器件的杰出代表。
微加速度计的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。
如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。
结合陀螺仪（用来测角速度），就可以对物体进行精确定位。
根据这一原理，人们很早就利用加速度计和陀螺进行轮船，飞机和航天器的导航，近年来，人们又把这项技术用于汽车的自动驾驶和导弹的制导。
汽车工业的迅速发展又给加速度计找到了新的应用领域，汽车的防撞气囊就是利用加速度计来控制的。
微加速度计的工作原理微加速度计的结构模型如图所示：它采用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应加速度。
图中只画出了一个基本单元。
它是利用比较成熟的硅加工工艺在硅片内形成的立体结构。
图中的质量块是微加速度计的执行器，与质量块相连的是可动臂；与可动臂相对的是固定臂。
可动臂和固定臂形成了电容结构，作为微加速度计的感应器。
其中的弹簧并非真正的弹簧，而是由硅材料经过立体加工形成的一种力学结构，它在加速度计中的作用相当于弹簧。
当加速度计连同外界物体（该物体的加速度就是待测的加速度）一起加速运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。
质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制。
显然该位移与外界加速度具有一一对应的关系：外界加速度固定时，质量块具有确定的位移；外界加速度变化时（只要变化不是很快），质量块的位移也发生相应的变化。
复合量程微加速度计封装的设计仿真与测试
高过 载 能力 。
根据硅和贴 片胶 的材料属性使 陶瓷管壳 的厚 度逐渐变化 ， 其他材料结构和材料属性不变的情况 下， 分析加速度计芯片的受力变化情况。分别在陶
选择
由于复合 量 程加 速度 计包 含 １ ０ ｇ 、 １ ０ ０ ｇ 、 ５ ０ ０ ｇ和
５ ０ ０ ０ ｇ （ １ ｇ＝ ９ ． ８ ｍ ・ ｓ ， 下 同） 高低量程 ， 加速度
计 的这 种 覆 盖 高 低 量 足加 速度计封装 的抗高过 载的需要 和加 速 度计 的低封装应力的要求。 封装管壳须满足以下几个条件 Ｊ ： （ １ ） 抗高过载 ， 要使 加速度计能在工作 中承受
在封装材料管壳与贴 片胶 的参数确 定方面进行热 应力的仿真， 并对封装好的加速度计进行静态与动
态特性 测试 。
１ 复合量程微加速度计的封装结构
利用贴片胶 把加速度计 芯片粘接在管壳 的基
模量低于单 晶硅 ， 但玻璃弯 曲强 度大于单 晶硅 ， 因
此不用担心玻璃的强度 问题 ； 另外玻璃的另一优点 还可以隔离一部分贴 片胶造成 的封装应力 ， 故可 以
同样 ， 复合量程微加速度计能否顺 利完成对覆
盖高低量程的加速度信号的测试工作 ， 关键不仅在
于加速度计敏感单元设计 的合理性更 在于封装设
计 的合 理 性 与 可 行 性 。在 前 人 已经 设 计 好 复 合 量 程微加 速度 计敏 感单 元 结 构 的基 础上 ， 本 文 主要
图１ 复 合 量 程 微 加 速 度 计 的封 装 结 构
把玻璃 同硅芯片看作一个整体考虑 ， 不必单独研究
玻璃引起 的应力 问题 。所 以封装结 构 中加速度计
MEMS加速度计的原理及运用
MEMS加速度计的原理及运用目录1.MEMS加速度计基本原理分析1.1 MEMS简介1.2微加速度计的类型1.3 差分电容式加速度计的结构模型及其工作原理1.4 MEMS微加速度计的制造工艺1.5 MEMS微加速度计主要性能指标的设计和控制1.6 MEMS加速度计的其它结构1.7 各厂商MEMS加速芯片参数对比1.8 线性度1.9灵敏度与功耗2．MEMS加速度计国内外现状3．微加速度计的发展趋势4．MEMS加速度计应用前景分析5．用MEMS加速度计测量加速度、角度1.1MEMS简介随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功，应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计（microaccelerometer）就是惯性传感器件的杰出代表。
微加速度计的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。
如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。
结合陀螺仪（用来测角速度），就可以对物体进行精确定位。
根据这一原理，人们很早就利用加速度计和陀螺进行轮船，飞机和航天器的导航，近年来，人们又把这项技术用于汽车的自动驾驶和导弹的制导。
汽车工业的迅速发展又给加速度计找到了新的应用领域，汽车的防撞气囊（Air Bag）就是利用加速度计来控制的。
作为最成熟的惯性传感器应用，现在的MEMS加速度计有非常高的集成度，即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。
本文将就微加速度计进行初步设计，并对其进行理论分析。
1.2 微加速度计的类型1.2.1 压阻式微加速度计压阻式微加速度计是由悬臂梁和质量块以及布置在梁上的压阻组成，横梁和质量块常为硅材料。
当悬臂梁发生变形时，其固定端一侧变形量最大，故压阻薄膜材料就被布置在悬臂梁固定端一侧（如图1所示）。
当有加速度输入时，悬臂梁在质量块受到的惯性力牵引下发生变形，导致固连的压阻膜也随之发生变形，其电阻值就会由于压阻效应而发生变化，导致压阻两端的检测电压值发生变化，从而可以通过确定的数学模型推导出输入加速度与输出电压值的关系。
加速度计的设计
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第二阶段
结构设计与分析
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四、设计约束
材料属性约束
硅的材料参数 (μm-μN-kg)
参数 硅
2.33×10-15
EX 1.9×105
PRXY 0.3
工作原理
压阻式微传感器结构
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压敏电阻的相对变化量 R 与应力的关系为
R
R π11 π t t πs s π11 π t t R
硅
a) 初始
硅 b) 线性 硅 c) 抛物线 二氧化硅的生长阶段
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腐蚀分为湿法腐蚀和干法腐蚀。利用KOH腐蚀剂在(100) 晶面进行各向异性腐蚀是体硅微机械加工工艺中一种简单 易行且重要的加工工艺。湿法腐蚀形成质量块的时候需要 进行凸角补偿。最常用的凸角补偿方法如下所示。 其中，h=腐蚀深度/0.54 通过上述的方法可以实现 质量块边缘的最佳腐蚀。
加速度计标定方案
加速度计标定过程一、为避免多次安装引入误差，对加速度计只进行一次安装，将惯性组件的坐标系XYZ对应安装到转台零位上，使惯性组件X轴与分度头x轴平行，Y与y平行，Z与z轴平行。
利用十二位置法对加速度进行标定，每个位置采样时间1分钟。
二、数据处理1、采用以下误差项模型其中，Ax,Ay,Az为参考加速度值，Na=[Nax.Nay,Naz]’为三敏感轴输出加速度值。
Da=[Dax,Day,Daz]’为敏感轴的零位误差，Kax,Kay,Kaz为刻度因数。
Eaxy,Eaxz,Eayx,Eayz,Eazx,Eazy为误差耦合因数。
2、在12个不同位置测量，各个位置比力表如下(单位:g)。
根据比力表可得到12组参考加速度值Ax,Ay,Az。
3、 每个位置上采样1分钟，并对每个位置所得数据取平均值，获得一组Nax.Nay,Naz ，共有12组数。
根据以上误差项模型，利用最小二乘法得最后有效系数Kax,Kay,Kaz,Eaxy,Eaxz,Eayx,Eayz,Eazx,Eazy,Dax,Day,Daz 。
三、实验结果利用MATLAB 编写最小二乘法程序，最后得到误差项模型数据如下。
a 1.00040.01200.00660.0016=0.0135 1.00100.00210.00250.00310.0008 1.01210.0534Kxx Exy Exz D x Eyx Kyy Eyz Day EzxEzy Kzz Daz -⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥---⎣⎦⎣⎦ 根据以下误差模型，利用实际测量的值Nax,Nay,Naz,便可得到实际值Aax,Aay,Aaz 。
-1a ax 0.99950.0120-0.0065a 0.0*-=-0.01350.9988-0.0020-0.00310.00080.9880Aax Kxx Exy Exz N x D N x Aay Eyx Kyy Eyz Nay Day Nay Aaz Ezx Ezy Kzz Naz Daz Naz ⎛⎫⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤ ⎪⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥= ⎪⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥ ⎪⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎝⎭0200.0025-0.0528⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦。
复合量程微加速度计中阻尼的分析与设计
第５期毛海央，熊继军等：复合量程微加速度计中阻尼的分析与设计２１８７１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昕岗十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．图３复合量程微加速度计实物图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）图１双边四梁结构和惠斯通电桥连接图堡Ｒ一扣（ａｌ一仉）（１）其中，弛为剪切压阻系数分量，其值为１３８．１×１０＿ｎｍ２／Ｎ；矾为纵向应力，仉为横向应力，单位为ＭＰａ．压敏电阻的变化使原本平衡的电桥有输出电压Ｕｏ一等ｕ瓜图４１０００ｇｎ量程的结构照片２００００ｇｎ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１００００ｇ。
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１００００ｇ。
冲击加速度载荷作用后梁发生断裂的照片．（２）（ａ）ｌｏ％量程微加速度计的（ｂ）５００９。
量程微±Ｉ｜ｉｉ速度再酌粱发生断裂的照片梁发生断裂的照片其中，砜为电桥输出电压，Ｕ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１００ｇ。
５００ｇ。
ｌ０００ｇ。
和２０００ｇ。
．设计仿真时，该复合量程微加速度计能承受２００００ｇ。
的动态冲击载荷作用．图２复合量程微加速度计结构示意图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１０００ｇ。
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复合量程微加速度计的设计
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North University of China 性能指标 1.量程:0～100g、0～500g、0～1000g和0～2000g 2.抗过载能力大于20000g 3.频响范围：>2kHz 4.具有抗干扰能力
电阻条长度
L
P+
L 引线孔
P－
P+ P－
压敏电阻结构图 压敏电阻工艺要求
层 P－ P+ 引线孔
功能 形成压敏电阻
工艺要求 最小宽度 20μm
备注 200Ω/□
与金属形成低阻互连 与P－最小覆盖 5μm 形成金属接触孔 最小宽度8μm
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六、所用软件
1.Ansys——用于结构设计与仿真，可计算各阶频率和各阶 振型、应力值、结构挠度、结构灵敏度及位移量等。
2. Intellisuite——用于工艺步骤的设计与仿真，同时实 现上述结构参数的仿真计算。 3. L-Edit——用于版图的设计，同时可以模拟工艺过程。 4. Matlab或Maple——用于理论计算。
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L孔
加工单位所能实现 的压敏电阻如右所示。 压敏电阻包括三部分： P－、P+和引线孔，压 敏电阻的宽度由P－决 定，长度由P+决定。
弯曲强度 70-210
断裂强度 7000
一般硅材料所能承受的最大应变为 10 3 ，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 4 10 4～ 5 10 4 。为了满足这个范围，梁根 部的最大等效应力值不超过80MPa。
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第一阶段
知识的积累
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Si
P N
+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<011>、<0-11> 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——π44。
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d)
衬底
d) 图2 光刻和图形转移过程
衬底
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热氧化的生长机制:开始时，氧原 子与硅原子结合，二氧化硅的生长是 一个线性过程。大约长了500Å之后， 线性阶段达到极限。为了保持氧化层 的生长，氧原子与硅原子必须相互接 触。在二氧化硅的热生长过程中，氧 气扩散通过氧化层进入到硅表面，因 此，二氧化硅从硅表面消耗硅原子， 氧化层长入硅表面。随着氧化层厚度 的增加，氧原子只有扩散通过更长的 一段距离才可以到达硅表面，因此， 从时间上来看，氧化层的生长变慢， 氧化层厚度、生长率及时间之间的关 系成抛物线形。
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第二阶段
结构设计与分析
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干法腐蚀包括PE（等离子体腐蚀），RIE（反应离子腐 蚀），ICP（感应耦合等离子体腐蚀），TCP（变压器耦合 等离子体腐蚀），ECR（电子回旋共振腐蚀）等。干法腐 蚀清洁、干燥，无浮胶现象，工艺过程简单，图形分辨率 高。本结构中最后释放梁-质量块结构采用的就是ICP刻蚀。 由于ICP刻蚀温度较湿法腐蚀高，可能存在残余应力高等 问题。同时，不同的加工单位对ICP刻蚀深度的要求也不 相同。
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North University of China 二、硅材料的选择
室温下，N型和P型硅电阻的π11、π12、π44的数值如下。
π11、π12、π44的数值 （10-11 m2/N） 晶体 电阻类型 π11 π12 π44
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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
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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>=80µm； • 3) 梁长（L1） ： L1 <=1000µm； • 4) 梁厚（h1）： h1>=30µm； • 5) 质量块厚度（h2） h2<=395µm; • 由于要在同一批工艺中同时实现复合量程微加速度计中的 四个结构，因此四个结构中质量块的厚度、梁的厚度必须 一致。
硅
a) 初始
硅 b) 线性 硅 c) 抛物线 二氧化硅的生长阶段
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腐蚀分为湿法腐蚀和干法腐蚀。利用KOH腐蚀剂在(100) 晶面进行各向异性腐蚀是体硅微机械加工工艺中一种简单 易行且重要的加工工艺。湿法腐蚀形成质量块的时候需要 进行凸角补偿。最常用的凸角补偿方法如下所示。 其中，h=腐蚀深度/0.54 通过上述的方法可以实现 质量块边缘的最佳腐蚀。
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离子注入是掺杂技术的一种，就是将所需的杂质以一 定的方式掺入到半导体基片规定的区域，并达到规定的数 量和符合要求的分布，以达到改变材料电学性能、制作PN 结、集成电路的电阻和互联线的目的。复合量程微加速度 计中压敏电阻就是通过硼离子注入得到的。
North University of China 版图设计约束 1. 出于测试考虑，电极的最小尺寸为100um*100um。 2. P+层与P+层之间的最小距离为10um。
3. 一个cell的尺寸为9mm*9mm。
4. 划片槽的宽度为300um。
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溅射镀膜的原理是在真空室内使微量氩气或氦气电 离，电离后的离子在电场的作用下向阴极靶加速运动并 轰击靶，将靶材料的原子或分子溅射出来，在作为阳极 的基片上形成薄膜。溅射（sputtering）已广泛地用于 在基片上沉积铝、钛、铬、铂、钯等金属薄膜和无定形 硅、玻璃、压电陶瓷等非金属薄膜。用溅射法制造的薄 膜均匀性好，可以覆盖有台阶的表面，内应力小，现已 在很大程度取代了蒸发镀膜。
R1
R3
R2
R4
在加速度作用下
R2 R2 R4 R4 R U i Uo Ui R R R R R3 R4 R3 R4 R 2 1 2 1
惠斯通电桥连接
所以有
U o π1 1 π t t U i
• (a)和(b)为悬臂梁式结构，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)为固支梁结构 ，其一阶固有频率比悬臂梁式结构高 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。 • (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(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。