高過載加速度敏感芯片的結(jié)構(gòu)與特性

楊宇新，揣榮巖，李 新，張 冰，張 賀

(沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110870)

0 引言

壓阻式加速度計廣泛應(yīng)用于汽車電子、航空工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1]。在探礦、地震監(jiān)測等極端應(yīng)用環(huán)境中，加速度的測量需要在高過載條件下完成，如油井鉆探的過程中，為了確定井身軌跡，需測量重力加速度分量從而測出近鉆頭處的井斜角，而當(dāng)鉆頭鉆探到復(fù)雜斷塊區(qū)域時，傳感器所感受的振動載荷可能達到幾十g(g=9.8 m/s2)甚至更高，這對它的過載能力有著很高要求。過載能力，是保證傳感器在感受量程范圍以外沖擊而不發(fā)生損壞的關(guān)鍵參數(shù)。許多商用加速度傳感器的過載能力一般為量程的2～5倍[2]，難以滿足高過載環(huán)境中的測量需求。因此，有必要對高過載加速度傳感器進行深入研究。加速度傳感器的設(shè)計需要考慮各種設(shè)計指標(biāo)，如諧振頻率、靈敏度、抗沖擊能力和交叉耦合等[3]。常見的壓阻式加速度傳感器通常采用“懸臂梁-質(zhì)量塊”結(jié)構(gòu)，如L. M. Roylance和J. B. Angell提出的懸臂梁壓阻式加速度計[4]，該結(jié)構(gòu)優(yōu)點主要是制造工藝簡單，靈敏度高[5-6]；但是在這樣的結(jié)構(gòu)中，靈敏度和固有頻率是一對相互制約的因素[7-8]，且結(jié)構(gòu)自身的過載能力不高，限制了傳感器性能的進一步提高。為此，本文設(shè)計了一種帶有微梁的加速度敏感結(jié)構(gòu)，可以在保證靈敏度的前提下，緩解固有頻率與靈敏度之間的矛盾，并顯著提高結(jié)構(gòu)的過載能力。

1 高過載加速度敏感結(jié)構(gòu)

設(shè)計的加速度敏感芯片主要由質(zhì)量塊、敏感微梁、主梁和硅基框架構(gòu)成，采用單晶硅材料制造，如圖1所示，Z軸(垂直于X-Y平面方向)為其敏感方向。其質(zhì)量塊的左右兩側(cè)分別設(shè)置有一根主梁，一端與質(zhì)量塊相連，另一端與硅基框架相連，兩根主梁在X-Y平面內(nèi)中心對稱，下表面與質(zhì)量塊的底面位于同一平面內(nèi)；在Y軸方向上，質(zhì)量塊的兩端分別通過一根敏感微梁與硅基框架相連，微梁結(jié)構(gòu)如圖2所示，其連接在質(zhì)量塊的上表面處，在每個微梁上形成兩塊沿Y軸方向的應(yīng)變電阻，并連接成惠斯通差動全橋，構(gòu)成加速度測量電路。

圖1 加速度敏感結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 微梁結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)中主梁的橫截面積遠大于微梁，導(dǎo)致主梁的勁度系數(shù)要遠大于微梁，在結(jié)構(gòu)上施加沿Z軸方向的加速度時，由于主梁對質(zhì)量塊有很強的束縛作用，質(zhì)量塊只能產(chǎn)生很微小的位移，從而結(jié)構(gòu)具有較高的固有頻率；而微梁的橫截面積較小且長度較短，質(zhì)量塊受到加速度影響時所產(chǎn)生的微小位移就會引起微梁相對顯著的形變，從而在微梁上產(chǎn)生較大的應(yīng)變，使兩端的應(yīng)變電阻分別受到張應(yīng)力和壓應(yīng)力，這就保證了傳感器的靈敏度性能。

當(dāng)結(jié)構(gòu)的敏感方向受到加速度作用時，雖然在微梁上可產(chǎn)生較大的應(yīng)變，但由于微梁尺寸較小(特別是厚度較薄)，基于硅材料斷裂強度的尺寸效應(yīng)[9]，微梁會具有較高的斷裂強度，從而不易發(fā)生損壞；而主梁尺寸雖較大，其斷裂強度相比微梁要低，但在加速度的影響下質(zhì)量塊發(fā)生的位移很小，這使得主梁上的應(yīng)力很小，主梁同樣也不易發(fā)生斷裂，因此，該敏感結(jié)構(gòu)自身具有較高的過載能力。這樣通過合理調(diào)整主梁、微梁和質(zhì)量塊的尺寸，即可在保證靈敏度的前提下，得到具有高固有頻率和高過載能力的加速度敏感結(jié)構(gòu)。

2 敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳感器在滿量程時，單晶硅應(yīng)變電阻上的應(yīng)變越大，靈敏度越高；而為保證傳感器在滿量程范圍內(nèi)的線性響應(yīng)和過載能力，應(yīng)變電阻上的最大應(yīng)變應(yīng)設(shè)計的較小為宜，綜合考慮后本文選取3×10-4為滿量程時最大應(yīng)變的設(shè)計指標(biāo)。影響上述敏感結(jié)構(gòu)性能的參數(shù)主要有質(zhì)量塊、主梁以及微梁的長度、寬度和厚度。結(jié)構(gòu)中主梁的勁度系數(shù)要遠大于微梁，即主梁的橫截面積要遠大于微梁，這就要求主梁厚度不能太薄，太薄則其勁度系數(shù)會與微梁差距較小，難以發(fā)揮主梁的作用；但主梁厚度如果過厚，滿量程時若想要在微梁上達到相同的應(yīng)變，則需要較大的質(zhì)量塊，芯片整體尺寸也會隨之增大；本文將主梁厚度折中選取為30 μm。

對于微梁而言，其橫截面積越小越好，那么應(yīng)盡量減小微梁厚度和寬度，但微梁厚度如果選取得過薄，使得電阻層達到了微梁中性面以下，這樣中性面上下的電阻區(qū)域?qū)⒁徊糠之a(chǎn)生壓應(yīng)力，一部分產(chǎn)生張應(yīng)力，引起的電阻變化會相互抵消，導(dǎo)致靈敏度降低。本文將應(yīng)變電阻厚度設(shè)計為0.2 μm，電阻阻值設(shè)計為2 000 Ω，鋁線最小寬度設(shè)計為2 μm，擬采用1 mA恒流源供電，根據(jù)硅薄膜單位面積的最大允許功耗[10]以及微梁上電阻和鋁線的分布要求，將微梁的最小寬度設(shè)計為24 μm。以量程為1g的加速度敏感結(jié)構(gòu)為例，基于有限元仿真分析對上述敏感結(jié)構(gòu)的其他參數(shù)進行設(shè)計。

首先選定主體結(jié)構(gòu)厚度，即質(zhì)量塊厚度，基于深硅刻蝕工藝能力，將主體結(jié)構(gòu)厚度設(shè)置為400 μm，并在適當(dāng)范圍內(nèi)選取一個微梁厚度初值，如1 μm。對傳感器敏感方向施加1g加速度時，在一定范圍內(nèi)改變微梁長度，通過調(diào)整主梁的長度和寬度以及質(zhì)量塊的長度和寬度，找出每個微梁長度下使得微梁兩端應(yīng)變在3×10-4左右時對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并同時仿真出該參數(shù)下結(jié)構(gòu)的固有頻率，從而得到應(yīng)變值與固有頻率的乘積值M，將其中最大值記為Mmax，Mmax所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)即為該微梁厚度情況下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。然后改變微梁厚度，利用同樣的方法可以得到每一個微梁厚度下不同微梁長度所對應(yīng)的M值，如圖3所示，同時也得到了不同微梁厚度所對應(yīng)的Mmax值。

圖3 不同微梁厚度的情況下，各微梁長度所對應(yīng)的M值

經(jīng)過上述對微梁、主梁以及質(zhì)量塊尺寸的設(shè)計過程，便可以得到各組性能不同的芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)?；趫D3的仿真分析結(jié)果，對于所設(shè)計量程為1g的加速度敏感結(jié)構(gòu)，選取的微梁厚度為1.2 μm，其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。該尺寸參數(shù)下，滿量程1g時沿應(yīng)變電阻層中線的應(yīng)變分布如圖4所示，結(jié)構(gòu)固有頻率約為1 165.67 Hz，M值可達34.97。通過計算可得，在1 mA恒流源供電條件下，傳感器的滿量程輸出約為40 mV。

表1 敏感結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù) μm

圖4 滿量程時沿應(yīng)變電阻層中線的應(yīng)變分布

3 敏感結(jié)構(gòu)過載能力的仿真分析

芯片的過載能力取決于芯片結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布和材料的斷裂強度。對于上述加速度敏感結(jié)構(gòu)，當(dāng)主梁或敏感微梁上的最大應(yīng)力超過單晶硅的斷裂強度時，就會發(fā)生斷裂，導(dǎo)致傳感器失效。單晶硅材料的斷裂強度具有尺寸效應(yīng)[9]，即材料的斷裂強度隨試件幾何尺寸變化而變化的現(xiàn)象，所以不同尺寸的梁會表現(xiàn)出不同的斷裂強度，這將對敏感結(jié)構(gòu)的最大過載能力產(chǎn)生很大影響。因此分析敏感結(jié)構(gòu)的過載能力，首先需要給出結(jié)構(gòu)尺寸與斷裂強度的關(guān)系。

上述加速度敏感結(jié)構(gòu)中的單晶硅主梁和微梁，它們的長度和寬度均遠大于其厚度，所以其斷裂強度主要受梁厚度的影響。參照文獻[9]和文獻[11]的實驗結(jié)果，得到厚度分別為0.255 μm、1.91 μm、17 μm和520 μm單晶硅梁的斷裂強度值，結(jié)果如表2所示。

表2 不同厚度單晶硅梁的斷裂強度值

分析表2數(shù)據(jù)，對其進行函數(shù)擬合，求得單晶硅材料的斷裂強度隨厚度的增加成指數(shù)規(guī)律衰減，關(guān)系式為

y=a·e-bx+c

(1)

求得a=9.638 19，b=0.034 87，c=0.47，并繪制出單晶硅材料斷裂強度與厚度之間關(guān)系曲線如圖5所示。根據(jù)圖5所示的單晶硅材料斷裂強度與厚度之間的關(guān)系曲線，即式(1)，可以得出不同厚度單晶硅梁的斷裂強度值。

圖5 單晶硅材料斷裂強度與厚度之間的關(guān)系

對于所設(shè)計量程為1g的加速度敏感結(jié)構(gòu)，當(dāng)主梁或者微梁上的最大應(yīng)力達到所對應(yīng)厚度的斷裂強度時，此時在敏感結(jié)構(gòu)上施加的加速度載荷即為該尺寸下傳感器的最大過載能力。通過仿真分析得出，當(dāng)在其上加載79g加速度載荷時，主梁上最大應(yīng)力約為30 MPa，遠小于體硅的斷裂強度值470 MPa；而微梁上最大應(yīng)力約為9.71 GPa，根據(jù)圖5可知，這達到了1.2 μm厚度所對應(yīng)的斷裂強度值，則其過載能力約為79g。該加速度傳感器若采用超薄納米膜作為應(yīng)變電阻，如文獻[12]中所提到的多晶硅納米薄膜，則所選取的微梁厚度可以進一步減小，當(dāng)微梁厚度選取為0.3 μm時，仿真得出其過載能力約為100g，達到滿量程的100倍左右。

4 討論

交叉耦合系數(shù)是加速度傳感器的一項重要性能指標(biāo)，一般要求不超過5%[13]。上述加速度敏感結(jié)構(gòu)中，在X-Y平面內(nèi)，兩根主梁采用中心對稱的形式設(shè)置在質(zhì)量塊的左右兩側(cè)，當(dāng)有加速度作用在結(jié)構(gòu)的X軸方向時，主梁的這種分布方式可以較大程度的限制質(zhì)量塊在X軸方向的位移，降低該方向的交叉耦合。根據(jù)圖1所示，微梁與質(zhì)量塊的上表面處相連接，主梁與質(zhì)量塊的下表面處相連接，這種方式限制了Y軸方向加速度對質(zhì)量塊的位移及扭轉(zhuǎn)作用，從而使Y軸方向的交叉耦合得到顯著降低。

通過仿真得到，當(dāng)在敏感結(jié)構(gòu)的X軸和Y軸方向分別施加1g加速度時，微梁上應(yīng)變電阻層中間的最大應(yīng)變分別約為4×10-6和4.4×10-6，而在敏感Z軸方向施加滿量程1g加速度時，如圖4所示，電阻層中間的最大應(yīng)變可達到300×10-6左右，計算可得所設(shè)計敏感結(jié)構(gòu)的交叉耦合系數(shù)約為1.5%。

由圖3的曲線可以看出，對于量程為1g的加速度傳感器，在優(yōu)化微梁厚度和長度的過程中，對于每一個微梁厚度，都存在一個最佳微梁長度，使其M值達到最大；如微梁厚度選取為1 μm時，此時最佳微梁長度為32 μm，M值達到35.42，明顯優(yōu)于該微梁厚度下其他長度所對應(yīng)的M值。由圖3的仿真結(jié)果還可以看到，當(dāng)微梁厚度從0.8 μm逐漸增加到1.6 μm時，最佳微梁長度所對應(yīng)的Mmax值由35.57減少為34.24，可見隨著微梁厚度的增加，傳感器的性能會略微下降，但由于微梁上需要制作應(yīng)變電阻及工藝能力的限制，微梁厚度與長度也不宜過薄和過短。

對于普通的“懸臂梁-質(zhì)量塊”加速度敏感結(jié)構(gòu)，若將滿量程1g時懸臂梁上的最大應(yīng)變設(shè)計為3×10-4，通過仿真可得其固有頻率僅可達到32.4 Hz左右，結(jié)構(gòu)自身的過載能力約為滿量程的9倍(仿真時根據(jù)圖5選取斷裂強度值為4.7×108Pa)。而本文所設(shè)計量程為1g的加速度敏感結(jié)構(gòu)，其固有頻率可達1 165.67 Hz，過載能力達到滿量程的79倍，比普通的“懸臂梁-質(zhì)量塊”加速度敏感結(jié)構(gòu)提高了8.8倍，并可通過合理調(diào)節(jié)微梁和主梁尺寸使過載能力得到進一步提高，這在保證靈敏度的同時，顯著提高了加速度敏感結(jié)構(gòu)的固有頻率和過載能力。

5 結(jié)論

通過有限元法對帶有微梁的加速度敏感結(jié)構(gòu)進行了仿真分析，結(jié)果表明，微梁的引入，可以在保證傳感器靈敏度的同時，顯著提高芯片的固有頻率和過載能力。

所設(shè)計量程為1g的加速度敏感芯片，在1 mA恒流源供電條件下，其滿量程輸出約為40 mV，固有頻率約1 165.67 Hz，交叉耦合系數(shù)約為1.5%，過載能力可達到量程的79倍。