π 形梁厚膜壓阻式加速度傳感器研究與設(shè)計(jì)＊

楊 熹，任忠原，馬長寶，姚子龍

(華天傳感器有限公司，甘肅 天水 741000)

0 引言

加速度傳感器作為一種慣性器件在汽車、電子、機(jī)械領(lǐng)域的振動和沖擊測量，輪船、飛機(jī)和航天器的導(dǎo)航，以及石油探測和地震預(yù)報(bào)的振動測試等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.利用厚膜工藝加工制作的加速度傳感器具有成本低、體積小、重量輕、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，因而具有廣闊的市場應(yīng)用前景.目前，厚膜加速度傳感器具有線性度好、易于小型化、頻響特性好、直接輸出電壓信號、接口電路簡單、加工工藝簡單、與厚膜工藝兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，正在被用戶認(rèn)識和接受.

壓阻式加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)形式有很多種，如懸臂梁、雙臂梁、四梁等.懸臂梁結(jié)構(gòu)具有靈敏度高、體積小、易加工等優(yōu)點(diǎn)，本課題采用π 型懸臂梁結(jié)構(gòu)制作厚膜加速度傳感器.

1 傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

壓阻式厚膜加速度傳感器是基于厚膜電阻的壓阻效應(yīng).當(dāng)有加速度作用于質(zhì)量塊時(shí)，由于慣性力作用使得質(zhì)量塊發(fā)生位移，從而引起梁發(fā)生變形，梁的變形引起梁上應(yīng)力的變化，進(jìn)而引起電阻的改變，因而通過測量由梁上電阻組成的惠斯通電橋的輸出便可測出加速度值的大小.

Vin為電橋激勵(lì)電壓，一般情況下4 個(gè)厚膜電阻的初始值相等，即R1=R3=R2=R4，此時(shí)電橋平衡，輸出電壓V0為零.若將4 個(gè)電阻在π 形梁兩端布置，當(dāng)梁受到外界壓力作用時(shí)，一對電阻受拉而另一對電阻受壓，例如R1，R3受拉而R2，R4受壓時(shí)，ε1，ε3為正，ε2，ε4為負(fù)，此時(shí)電橋失去平衡，ε1－ε2+ε3－ε4的絕對值達(dá)到最大，從而得到盡量大的輸出電壓［1］.

本設(shè)計(jì)選擇在1 mm 厚的陶瓷梁上印刷制作釕酸鹽電阻構(gòu)成惠斯通電橋，電阻值設(shè)計(jì)為10 kΩ.

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓阻式加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)形式有很多種，已有懸臂梁、雙臂梁、四梁等，彈性元件的結(jié)構(gòu)形式及尺寸決定傳感器的靈敏度、頻響、量程等.壓阻式加速度傳感器的彈性元件采用陶瓷梁外加質(zhì)量塊，質(zhì)量塊由懸臂梁支撐，并在懸臂梁上制作電阻，連接成測量電橋，在慣性力作用下質(zhì)量塊上下運(yùn)動，懸臂梁上電阻的阻值隨應(yīng)力的作用發(fā)生變化，引起測量電橋輸出電壓變化，以此實(shí)現(xiàn)對加速度的測量.質(zhì)量塊能夠在較小的加速度作用下使得懸臂梁上的應(yīng)力較大，提高傳感器的輸出靈敏度.在大加速度下，質(zhì)量塊的作用可能會使懸臂梁上的應(yīng)力超過屈服應(yīng)力，變形過大，致使懸臂梁斷裂.為此，高g 值加速度擬采用質(zhì)量塊和梁寬相等的單臂梁結(jié)構(gòu)形式［2］.

如圖1(a)所示，所研制的加速度傳感器是一端固支的π 形懸臂梁結(jié)構(gòu)，梁表面為惠斯通電橋，如圖1(b)所示.

圖1 加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

本設(shè)計(jì)中采用如下參數(shù):梁長f=9 mm，梁寬bl=6 mm，梁厚h1=0.2 mm，質(zhì)量塊邊長A=6 mm，質(zhì)量塊厚H=1 mm.因而由式(1)知，在電壓源采用12 V 供電時(shí)，電阻靈敏度系數(shù)取3，則加速度傳感器輸出電壓為V0=0.002 4 mV·s2/m.

2 加速度傳感器的制造工藝

2.1 制造工藝流程圖

制造工藝流程圖如圖2 所示.

圖2 制造工藝流程圖

2.2 制造工藝

在厚膜加速度傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)中，為了獲得最理想的外形尺寸和物理性能，本文所介紹的傳感器結(jié)構(gòu)采用含氧化鋁96%的陶瓷基片.傳感器的制造工藝包括制版、印刷、燒結(jié)、梁加工成型、激光調(diào)阻、裝配、鍵合等工藝.成膜在850 ℃燒結(jié)溫度下完成，使用的成膜工藝為厚膜混合集成電路常用工藝.電阻及導(dǎo)帶上印刷燒結(jié)玻璃絕緣層，以增加成膜的穩(wěn)定性.傳感器能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，完全依賴于應(yīng)變電阻在基片上的正確位置.因此，要想將誤差控制到最低值并確保電阻和應(yīng)變靈敏度系數(shù)值具有良好的重復(fù)性，在絲網(wǎng)印刷工藝中就必須用精準(zhǔn)的設(shè)備及訓(xùn)練有素的員工來保證［3］.

π 形梁用陶瓷基片采用激光劃片成型，達(dá)到設(shè)計(jì)的尺寸.

梁表面惠斯通電橋的制作，采用銀鈀漿料印刷導(dǎo)帶，10 kΩ/□(□為方塊電阻)的RuO2電阻漿料印刷電阻，厚膜燒結(jié)工藝燒結(jié)成膜，形成測量電橋.

π 形梁的加工成型采用2 種工藝制作:1)采用激光刻蝕陶瓷基片形成π 形槽;2)采用金剛石砂輪在高精密磨床上精磨形成π 形槽.梁的寬度為3 mm，厚度為1 mm，π 形部分經(jīng)加工控制在0.2 mm.

π 形陶瓷梁采用低溫玻璃燒結(jié)在基座上.

加速度傳感器采用甲基硅油阻尼，淺腔式外殼異型封帽機(jī)氣密性封裝.封裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.

利用自有衰減法測量得到器件的阻尼比為0.078.器件的阻尼比是材料、結(jié)構(gòu)和甲基硅油的阻尼比之和，由于甲基硅油的阻尼比較大，π 形梁質(zhì)量在甲基硅油環(huán)境中受到?jīng)_擊會形成阻尼振動.π 形梁的振動會因阻尼衰減而盡快達(dá)到平衡，利于加速度的更準(zhǔn)確動態(tài)測量.

圖3 厚膜加速度傳感器封裝結(jié)構(gòu)示意圖

3 加速度傳感器的測試

3.1 諧振頻率理論計(jì)算

諧振頻率的計(jì)算公式為

其中:E 為材料的彈性模量;I 為轉(zhuǎn)動慣量;ρ 為密度;S為梁的橫截面積;L 為梁的長度.代入數(shù)值計(jì)算得到，懸臂梁的諧振頻率f 理論值為:1.36 kHz.

3.2 參數(shù)測試

高g 值厚膜加速度傳感器的靈敏度較低，在小加速度下輸出電壓信號很小，只有進(jìn)行沖擊試驗(yàn)才能檢驗(yàn)其性能.常溫下加速度傳感器的動態(tài)特性使用高加速沖擊臺來測量，將標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被標(biāo)定傳感器同時(shí)固定在馬希特?fù)翦N的錘頭上，對加速度傳感器樣品在不同的齒數(shù)下進(jìn)行沖擊測試［4］.

在測試時(shí)采用12 V 供電，測得加速度與輸出電壓關(guān)系如圖4 所示.加速度傳感器沖擊測試范圍為0～15 000 m/s2，具體見表1.過載試驗(yàn)可達(dá)到30 000 m/s2而不失效.同時(shí)，采用可觸發(fā)存儲示波器記錄在加速度傳感器沖擊瞬間到第1 個(gè)波形結(jié)束時(shí)間的完整輸出波形，在存儲示波器上測量第1 個(gè)輸出波形的周期，得到其響應(yīng)頻率為1.29 kHz.

圖4 加速度傳感器輸出電壓與加速度的關(guān)系曲線

表1 0～15 000 m/s2 加速度傳感器動態(tài)測試結(jié)果 mV

從測試結(jié)果可以看出，本厚膜壓阻式加速度傳感器在整個(gè)量程范圍內(nèi)具有良好的線性度;理論計(jì)算出諧振頻率與實(shí)際測量頻率接近.

4 結(jié)論

介紹了一種新型的基于陶瓷基片加工工藝的π 形梁15 000 m/s2厚膜壓阻式加速度傳感器.在加工過程中采用厚膜工藝與梁加工成型工藝，從而保證了梁結(jié)構(gòu)的完整性.分析了該傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和靈敏度，同時(shí)介紹了它的工藝流程，以及封裝后的測試結(jié)果.基片尺寸為15 mm ×6 mm ×1 mm，其中敏感質(zhì)量塊尺寸為6 m×6 mm×1 mm，梁尺寸為3 mm×6 mm×0.3 mm.經(jīng)初步測試，在采用12 V 電源供電時(shí)靈敏度為0.002 4 mVs2/m 左右，響應(yīng)頻率為1.29 kHz.該加速度傳感器以其耐用性和低廉的價(jià)格為電力機(jī)車高壓線路檢測和工業(yè)測量提供了更為廣泛的應(yīng)用.

［1］易選強(qiáng)，苑偉政，馬炳和，等.壓阻式微型壓力傳感器敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，26(6):782-786.

［2］張建碧.基于MEMS 的硅微壓阻式加速度傳感器設(shè)計(jì)［J］.電子與封裝，2009，9(10):39-41.

［3］Crescini D，于梅.用于力和振動測量的壓阻式厚膜傳感器［J］.現(xiàn)代計(jì)量測試，1996(1):61-63.

［4］高廷金，熊斌.新型L 形梁壓阻微加速度傳感器［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2009，34(12):1177-1180.