壓阻式高固有頻率Z軸加速度敏感結(jié)構(gòu)

揣榮巖，代 全，王 健，梁 峭，衣 暢

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110870；2.沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧沈陽 110043)

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壓阻式高固有頻率Z軸加速度敏感結(jié)構(gòu)

揣榮巖1，代 全1，王 健1，梁 峭2，衣 暢1

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110870；2.沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧沈陽 110043)

基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的加速度傳感器因其性價(jià)比高、易于集成化而得到廣泛應(yīng)用，但在普通MEMS加速度敏感結(jié)構(gòu)中仍然存在靈敏度和固有頻率相互制約的弱點(diǎn)。為此，文中優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種壓阻式新型加速度敏感結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在彈性梁加質(zhì)量塊的基本結(jié)構(gòu)上引入了敏感微梁，在保證高靈敏度的同時(shí)，顯著提高了固有頻率。其靈敏度與固有頻率的乘積可比普通MEMS加速度計(jì)提高25倍以上。

加速度傳感器；壓阻式；高固有頻率；微梁；多晶硅納米膜；MEMS

0 引言

懸臂梁結(jié)構(gòu)的MEMS加速度計(jì)憑借其簡單的結(jié)構(gòu)和制作工藝，在其設(shè)計(jì)理念被提出來之后，受到了很多學(xué)者的密切關(guān)注[1-2]，并廣泛應(yīng)用于航天、精密測量、機(jī)器人仿生及慣性導(dǎo)航等方面[3]。其優(yōu)點(diǎn)在于制作工藝簡單、靈敏度高以及體積小等[4-6]。經(jīng)過多年的改進(jìn)，常規(guī)的懸臂梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)是一種無論從設(shè)計(jì)思路還是制作工藝上都很成熟的結(jié)構(gòu)，也得到了市場的認(rèn)可。

然而，懸臂梁結(jié)構(gòu)在擁有高靈敏度的同時(shí)，固有頻率低一直是限制其發(fā)展的重要因素。在這種結(jié)構(gòu)中，質(zhì)量塊一端通過懸臂梁連接到硅基框架，另一端保持懸空，形成一個(gè)簡單的彈簧-質(zhì)量塊系統(tǒng)，其中懸臂梁充當(dāng)彈簧，如圖1所示。當(dāng)在Z軸方向施加加速度時(shí)，質(zhì)量塊受到加速度影響發(fā)生位移，與之連接的懸臂梁發(fā)生彎曲，產(chǎn)生形變。懸臂梁勁度系數(shù)隨其橫截面積的增大以及長度的減小而增大。勁度系數(shù)越大，則懸臂梁越不易發(fā)生彎曲，結(jié)構(gòu)固有頻率越高，同時(shí)懸臂梁上的應(yīng)變越小。懸臂梁既決定了結(jié)構(gòu)的固有頻率，又決定了結(jié)構(gòu)的靈敏度。因此，普通懸臂梁結(jié)構(gòu)中的固有頻率和靈敏度是一對互相影響、互相制約的因素，結(jié)構(gòu)固有頻率的提高將導(dǎo)致靈敏度的減小。例如，有人提出了雙懸臂梁、四懸臂梁等多種結(jié)構(gòu)來提高結(jié)構(gòu)的固有頻率[7-8]，但隨著固有頻率的提高，結(jié)構(gòu)靈敏度都發(fā)生了不同程度的降低。懸臂梁結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)限制了結(jié)構(gòu)整體性能的進(jìn)一步提高。為此本文設(shè)計(jì)了一種帶有微梁的敏感結(jié)構(gòu)，緩解了固有頻率與靈敏度之間的矛盾。

圖1 常規(guī)懸臂梁結(jié)構(gòu)

1 帶微梁的敏感結(jié)構(gòu)

新結(jié)構(gòu)是在普通懸臂梁加質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)上配置敏感微梁得到的壓阻式Z軸加速度敏感結(jié)構(gòu)。其質(zhì)量塊的一端通過2個(gè)支撐梁與硅基框架連接，另一端通過一個(gè)截面遠(yuǎn)小于支撐梁的微梁與硅基框架連接，微梁上分布著4個(gè)相同的應(yīng)變電阻，敏感結(jié)構(gòu)左右對稱，如圖2所示。

1—應(yīng)變電阻；2—微梁；3—硅基框架；4—質(zhì)量塊；5—支撐梁(a)敏感結(jié)構(gòu)俯視示意圖

(b)敏感結(jié)構(gòu)Y方向剖面示意圖圖2 敏感結(jié)構(gòu)示意圖

常規(guī)結(jié)構(gòu)中懸臂梁既起著固定質(zhì)量塊的作用，從而決定結(jié)構(gòu)固有頻率，又要在其上設(shè)置應(yīng)變電阻，從而決定結(jié)構(gòu)靈敏度。而本結(jié)構(gòu)通過改變支撐梁調(diào)整結(jié)構(gòu)固有頻率，通過改變微梁調(diào)整其靈敏度。由于支撐梁橫截面積遠(yuǎn)大于微梁，導(dǎo)致支撐梁勁度系數(shù)遠(yuǎn)大于微梁。在結(jié)構(gòu)上施加沿Z軸正向(垂直于XY面并指向面外)的加速度時(shí)，由于支撐梁對質(zhì)量塊有極強(qiáng)的固定作用，質(zhì)量塊發(fā)生的位移極其微小，所以結(jié)構(gòu)具有較高的固有頻率；同時(shí)，由于微梁較短，質(zhì)量塊的微小位移會(huì)引起微梁上顯著的形變，在微梁上會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)變，使得靠近質(zhì)量塊的應(yīng)變電阻受到壓應(yīng)力，靠近硅基框架的應(yīng)變電阻受到張應(yīng)力。因此，本結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整支撐梁尺寸控制固有頻率，調(diào)整微梁尺寸控制其靈敏度。合理調(diào)整支撐梁、微梁和質(zhì)量塊的尺寸，即可得到較高的靈敏度和固有頻率。

由于微梁尺寸很小，為合理利用微梁上的應(yīng)變，采用多晶硅納米薄膜應(yīng)變電阻。多晶硅納米薄膜具有比普通擴(kuò)散硅和常規(guī)多晶硅薄膜更優(yōu)越的壓阻特性。采用多晶硅納米薄膜作為傳感器的應(yīng)變電阻可以同時(shí)獲得較低的溫度系數(shù)以及較高的應(yīng)變因子[9-10]。

2 仿真設(shè)計(jì)

敏感結(jié)構(gòu)中主要有9個(gè)可調(diào)整的幾何參數(shù)，分別是質(zhì)量塊、支撐梁以及微梁的長度、寬度和厚度。其中，質(zhì)量塊、支撐梁厚度始終相同，微梁幾何尺寸遠(yuǎn)小于質(zhì)量塊、支撐梁的幾何尺寸。各個(gè)幾何參數(shù)的變化都會(huì)影響其整體性能，然而通過同時(shí)改變多個(gè)參數(shù)來調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)性能太過復(fù)雜。通過理論分析可知，當(dāng)保持質(zhì)量塊和支撐梁尺寸不變，并施加同樣的加速度時(shí)，微梁的長度和寬度越小，微梁上的應(yīng)變越大。因此，微梁的長度和寬度越小，靈敏度越高，但不能過小，要滿足微梁上的電阻分布要求?；诖耍醪綄⑽⒘洪L度和寬度分別選定為10 μm、45 μm。下面以量程為100 g的敏感結(jié)構(gòu)為例，對其它參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 質(zhì)量塊厚度和微梁厚度仿真設(shè)計(jì)

當(dāng)施加同樣的加速度時(shí)，厚度不同(其他幾何參數(shù)都相同)的主體結(jié)構(gòu)會(huì)引起微梁上應(yīng)變的不同；而在各個(gè)幾何參數(shù)都相同的主體結(jié)構(gòu)的前提下，微梁厚度的變化也會(huì)導(dǎo)致其應(yīng)變的變化，同時(shí)使得敏感結(jié)構(gòu)固有頻率發(fā)生微小變化。因此，對于一個(gè)給定的主體結(jié)構(gòu)厚度，總存在一個(gè)與之匹配的微梁厚度，使得敏感結(jié)構(gòu)在應(yīng)變和固有頻率的綜合性能上達(dá)到最優(yōu)。以主體結(jié)構(gòu)厚度為500 μm、微梁厚度3 μm為例，調(diào)整質(zhì)量塊長度、寬度為3 000μm，支撐梁長度、寬度為1 000 μm，當(dāng)施加Z軸正向100 g的加速度時(shí)，微梁上的應(yīng)變分布如圖3所示。

圖3 微梁上的應(yīng)變分布

圖4 不同主體結(jié)構(gòu)厚度下M值與微梁厚度的關(guān)系

將圖4中各個(gè)厚度下的Mm值整理在一個(gè)坐標(biāo)系中，便得到Mm與主體結(jié)構(gòu)厚度的關(guān)系，如圖5所示。由此可見，當(dāng)主體結(jié)構(gòu)厚度由10～200 μm逐漸增加時(shí)，Mm值迅速上升；當(dāng)主體結(jié)構(gòu)厚度由200 ～500 μm逐漸增加時(shí)，Mm值上升緩慢、最終幾乎不變。即，主體結(jié)構(gòu)厚度達(dá)到200 μm以上時(shí)，主體結(jié)構(gòu)厚度的變化對固有頻率和應(yīng)變的綜合性能(即兩者的乘積)影響不大。因此，在利用常規(guī)的4寸硅片來制作芯片時(shí)，可將主體結(jié)構(gòu)厚度定為520 μm，再依據(jù)圖4選擇微梁厚度為3.5 μm。這樣便得到敏感結(jié)構(gòu)的第一組設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，其中質(zhì)量塊尺寸為3450 μm×3450 μm×520 μm(長×寬×厚，下同)，支撐梁尺寸為1000 μm×1000 μm×520 μm，微梁尺寸為10 μm×45 μm×3.5 μm。

圖5 Mm與主體結(jié)構(gòu)厚度的關(guān)系

2.2 微梁長度和寬度仿真驗(yàn)證

前文依據(jù)“微梁的長度和寬度越小，靈敏度越大”的觀點(diǎn)選取了微梁長度和寬度，在此對該觀點(diǎn)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

以第一組設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別取微梁寬度為25 μm、35 μm和45 μm，進(jìn)而仿真出微梁a端應(yīng)變絕對值 隨微梁長度變化的情況，如圖6所示?？梢姡⒘旱拈L度、寬度越小,εa越大。結(jié)合微梁上電阻的分布情況，將微梁寬度進(jìn)一步減小，最終選取微梁的長度為10 μm，寬度為25 μm。然而,由圖6可見其對應(yīng)的εa過大，通過減小質(zhì)量塊尺寸將εa調(diào)整至2 000με，這樣便得到第二組設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，其中質(zhì)量塊尺寸為3300 μm×3300 μm×520 μm，支撐梁尺寸為1000 μm×1000 μm×520 μm，微梁尺寸為10 μm×25 μm×3.5 μm。

圖6 應(yīng)變絕對值 與微梁長度的關(guān)系

2.3 交叉耦合仿真分析

經(jīng)過上述分析可知，質(zhì)量塊和支撐梁尺寸的選擇直接影響到敏感結(jié)構(gòu)的固有頻率，合理選擇它們的尺寸可以提高結(jié)構(gòu)固有頻率。此外，支撐梁尺寸的選擇也會(huì)影響到敏感結(jié)構(gòu)的交叉耦合系數(shù)。

質(zhì)量塊尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)與支撐梁相互協(xié)調(diào)，質(zhì)量塊過大會(huì)導(dǎo)致其很難被支撐梁固定住，從而降低結(jié)構(gòu)固有頻率，也會(huì)使得敏感結(jié)構(gòu)的體積過大；質(zhì)量塊過小會(huì)導(dǎo)致其被支撐梁過于束縛，則質(zhì)量塊位移很難引起微梁上足夠的應(yīng)變。

對第二組設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真可知，該結(jié)構(gòu)受到Z軸正向100 g加速度時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變絕對值εa是結(jié)構(gòu)受到X軸正向100 g加速度時(shí)的20倍，即交叉耦合系數(shù)為5%。為確保交叉耦合系數(shù)低于5%，可以通過增加支撐梁寬度或者減小支撐梁長度，然后增大質(zhì)量塊尺寸保持固有頻率不變的方法來進(jìn)一步降低交叉耦合系數(shù)。當(dāng)敏感結(jié)構(gòu)的尺寸調(diào)整為：質(zhì)量塊3000 μm×4000 μm×520 μm，支撐梁1000 μm×1100 μm×520 μm，微梁10 μm×25 μm×3.5 μm時(shí)，經(jīng)過有限元仿真分析，結(jié)構(gòu)固有頻率約為37.5 kHz,約為2 000με，交叉耦合系數(shù)為4%，這樣就得到敏感結(jié)構(gòu)的最終設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

3 討論

最終所設(shè)計(jì)的敏感結(jié)構(gòu)固有頻率約為37.5kHz，交叉耦合系數(shù)為4%。下面分別對結(jié)構(gòu)的過載能力、滿量程輸出以及工藝流程進(jìn)行討論。

3.1 過載

過載能力是傳感器的重要性能指標(biāo)，是決定其應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵參數(shù)。本結(jié)構(gòu)支撐梁的材料為單晶硅，結(jié)構(gòu)正面為(100)晶面，施加500με左右時(shí)仍具有良好的線性響應(yīng)。由于質(zhì)量塊被支撐梁牢牢地固定住，而微梁對質(zhì)量塊的固定作用很小，所以在支撐梁斷裂之前微梁不會(huì)斷裂。經(jīng)仿真得出，當(dāng)支撐梁上的最大應(yīng)變達(dá)到500με時(shí)，所加載的沿Z軸正向的加速度為滿量程的250倍左右；當(dāng)支撐梁上的最大應(yīng)變達(dá)到1 000με時(shí)支撐梁斷裂，此時(shí)施加的加速度為滿量程的500倍左右，由此可估算出本結(jié)構(gòu)可承受的最大加速度在25 000～50 000 g之間，表明該敏感結(jié)構(gòu)具備很強(qiáng)的過載能力。

3.2 滿量程輸出

將敏感微梁上的4個(gè)應(yīng)變電阻連接成如圖7所示的惠斯通電橋，則微梁上應(yīng)變的變化可轉(zhuǎn)變成電橋輸出電壓的變化。

圖7 惠斯通電橋

當(dāng)有沿Z軸正向的加速度作用在敏感結(jié)構(gòu)上時(shí)，R1和R2發(fā)生壓縮，阻值減??；R3和R4發(fā)生拉伸，阻值增大，電路接入適當(dāng)?shù)妮斎腚妷篣IN,會(huì)產(chǎn)生輸出電壓UOUT。惠斯通電橋的輸出電壓可以表示為：

(1)

設(shè)在無加速度時(shí)，R=R2=R3=R4=R,在有沿Z軸正向的加速度施加在結(jié)構(gòu)上時(shí)，R1=R2=R-ΔR1,R3=R4=R+ΔR3,將其代入式(1)，得出：

(2)

由此可得：

UOUT=0.5·GF·(ε3-ε1)·UIN

(3)

式中:ΔR/R為電阻相對變化量；GF為應(yīng)變系數(shù)，對于多晶硅納米膜的應(yīng)變系數(shù)[11]，其值取為34；UIN取5 V。

經(jīng)有限元仿真得出滿量程時(shí)應(yīng)變電阻R3和R1上的平均應(yīng)變?chǔ)?和ε1分別為771με和-938με，將上述各數(shù)值代入式(3)，得出敏感結(jié)構(gòu)的滿量程輸出為UOUT=145.27 mV。

將上述計(jì)算結(jié)果代入靈敏度S的計(jì)算公式中：

(4)

式中A為滿量程時(shí)的加速度，取值100 g。

7265A型壓阻式加速度傳感器量程同為100 g，靈敏度為0.5 mV/g/V,固有頻率為800 Hz。而本結(jié)構(gòu)靈敏度為0.29 mV/g/V，固有頻率卻高達(dá)37.5 kHz，靈敏度與固有頻率的乘積是7265A型加速度傳感器的25倍以上?？梢姳窘Y(jié)構(gòu)在保持結(jié)構(gòu)靈敏度不低的前提下，顯著提高了其固有頻率。

3.3 工藝流程

本結(jié)構(gòu)的制作可通過常規(guī)微電子工藝實(shí)現(xiàn)。首先在硅片正反兩面用酸性腐蝕液刻蝕出供質(zhì)量塊移動(dòng)的淺槽，然后在硅片正面淀積一層二氧化硅作為隔離層，再淀積一層多晶硅作為結(jié)構(gòu)層，如圖8(a)所示。之后淀積多晶硅納米薄膜，通過光刻保護(hù)、硼離子注入制作應(yīng)變電阻；制作鋁線后，在結(jié)構(gòu)正面淀積鈍化層,結(jié)果如圖8(b)所示。通過干法刻蝕工藝完成正反圖形，最后由深反應(yīng)離子刻蝕工藝從結(jié)構(gòu)背面進(jìn)行刻蝕，完成結(jié)構(gòu)釋放，如圖2所示。

圖8 敏感結(jié)構(gòu)工藝流程

4 結(jié)束語

本文通過有限元仿真設(shè)計(jì)了一種壓阻式高固有頻率Z軸加速度敏感結(jié)構(gòu)，并給出了可行的制作方案。該結(jié)構(gòu)滿量程輸出在150 mV左右，固有頻率達(dá)到37.5 kHz,過載能力可超過最大量程的250倍，靈敏度與固有頻率的乘積比普通壓阻式MEMS加速度計(jì)高25倍以上。

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Piezoresistive Z-Axis Acceleration Sensitive Structure with High Natural Frequency

CHUAI Rong-yan1,DAI Quan1,WANG Jian1,LIANG Qiao2,Yi Chang1

(1.School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China;2.Shenyang Academy of Instrumentation Science Ltd,Shenyang 110043,China)

Acceleration sensors based on Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) technology have been widely applied due to their high cost-performance ratio and easy integration,but there is still weakness of mutual constraint between sensitivity and natural frequency.For this reason,a new type of piezoresistive acceleration sensitive structure was designed in this paper.Based on a basic structure with elastic beam and mass,a sensitive micro-beam was introduced to form the new structure,which shows extremely high natural frequency and high sensitivity.The product value of sensitivity and natural frequency of the new structure is 25 times lager than normal MEMS acceleration sensors.

acceleration sensor; piezoresistive; high natural frequency; miro-beam; polysilicon nanofilms; MEMS

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61372019)

2015-04-10

TP212

A

1002-1841(2015)09-0004-04

揣榮巖(1963—)，教授，博士。主要從事半導(dǎo)體物理MEMS技術(shù)等方面的教學(xué)與研究。E-mail:me-sut@163.com