微加速度計(jì)設(shè)計(jì)

1、 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement微加速度計(jì)設(shè)計(jì)微加速度計(jì)設(shè)計(jì) 中北大學(xué) 微米納米技術(shù)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性能指標(biāo)性能指標(biāo)2.抗過(guò)載能力大于M g 3.頻響范圍：N Hz North University of China

2、 Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement第一階段第一階段 知識(shí)的積累知識(shí)的積累 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement一、壓阻式微加速度計(jì)的工作原理一、壓阻式微加速度計(jì)的工作原理 以單晶硅為例，當(dāng)壓力作用在單晶硅上時(shí)，硅晶體的電阻率發(fā)生顯著變化的效應(yīng)稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。 壓阻式微傳感器結(jié)構(gòu)壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)工作原理工作原理 North University of

3、 China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic MeasurementR1R2R3R4iioURRURRRRRRRRRRRRU434344212122RRtstRRt11st11壓敏電阻的相對(duì)變化量與應(yīng)力的關(guān)系為在平衡情況下0434212ioURRRRRRU在加速度作用下惠斯通電橋連接itoUUt11所以有 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement二、硅材料的選擇二、硅材料

4、的選擇室溫下，N型和P型硅電阻的11、12、44的數(shù)值如下。 11、12、44的數(shù)值 （10-11 m2/N）晶 體電阻類(lèi)型111244SiPN+6.6-102.2-7.1+53.4+138.1-13.6 為了使所設(shè)計(jì)的傳感器具有較高的結(jié)構(gòu)靈敏度（輸出靈敏度），可以選用N型（100）硅片，在硅片的、晶向上通過(guò)硼離子注入得到P型壓敏電阻。從而可以利用最大壓阻系數(shù)44。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic MeasurementN型硅P型電阻條 P型硅N型電阻條 結(jié)論：設(shè)

5、計(jì)壓阻式微加速度計(jì)時(shí)，采用N型(100)硅片其輸出靈敏度比采用P型(100)硅片的輸出靈敏度高2倍以上。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement三、典型結(jié)構(gòu)分析三、典型結(jié)構(gòu)分析(a)單懸臂梁 (b)雙懸臂梁 (c)雙端梁(d)雙島五梁 (e)雙端四梁 (f) 四邊梁結(jié)構(gòu) （g）八梁結(jié)構(gòu) North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic

6、Measurement (a)和(b)為懸臂梁式懸臂梁式結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，但其一階固有頻率低，頻率響應(yīng)范圍窄，且橫向靈敏度較大。 (c)(g)為固支梁固支梁結(jié)構(gòu) ，其一階固有頻率比懸臂梁式結(jié)構(gòu)高一階固有頻率比懸臂梁式結(jié)構(gòu)高得多得多，有利于擴(kuò)大傳感器的頻率響應(yīng)范圍。但在電橋中壓敏電阻數(shù)量相同的情況下，其靈敏度低于懸臂梁式結(jié)構(gòu)其靈敏度低于懸臂梁式結(jié)構(gòu)。 (g)圖所示的四邊八梁結(jié)構(gòu)橫向靈敏度最低，但其輸出靈敏度也最低。 綜合考慮，所要設(shè)計(jì)的傳感器采用 雙端四梁結(jié)構(gòu)雙端四梁結(jié)構(gòu)(e)(e)，該結(jié)構(gòu)在保證一定的輸出靈敏度的基礎(chǔ)上能夠較好地解決橫向靈敏度的問(wèn)題。 North University of

7、 China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement四、設(shè)計(jì)約束四、設(shè)計(jì)約束材料屬性約束材料屬性約束硅的材料參數(shù) (m-N-kg)參數(shù)EXPRXY彎曲強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度硅2.3310-151.91050.370-2107000 一般硅材料所能承受的最大應(yīng)變?yōu)?，為了保證傳感器的輸出具有較好的線(xiàn)性度，懸臂梁根部所承受的最大應(yīng)變范圍為 。為了滿(mǎn)足這個(gè)范圍，梁根部的最大等效應(yīng)力值不超過(guò)80MPa。31041044105 North University of China Key Laboratory of In

8、strumentation Science & Dynamic Measurement工藝條件約束工藝條件約束 邊界約束主要考慮加工工藝的影響，根據(jù)某加工單位的實(shí)際加工水平提出的約束條件如下： 2) 梁寬（b1）： b1= m； 3) 梁長(zhǎng)（L1） ： L1 = m； 5) 質(zhì)量塊厚度（h2） h2頻響范圍的5倍），一階振型是否在敏感方向(z方向)內(nèi)振動(dòng)。 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 對(duì)0-A g結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的前五階固有頻率及其前三階的振型如下所示。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析是ANSYS 產(chǎn)品的家族中7種結(jié)構(gòu)分析之一，主要用來(lái)分析由于穩(wěn)態(tài)外載荷所引起的系統(tǒng)的位移、應(yīng)力和應(yīng)變，其中穩(wěn)態(tài)載荷

10、主要包括外部施加的力和壓力、穩(wěn)態(tài)的慣性力如重力。 在該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在結(jié)構(gòu)上加載滿(mǎn)量程加速度值（如為0-A g量程的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)加載A g的加速度），查看結(jié)果時(shí)，主要判斷梁上的最大等效應(yīng)力值是否超過(guò)硅材料的彎曲強(qiáng)度(80MPa)。2.2.靜力學(xué)分析靜力學(xué)分析結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布云圖 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.路徑分析路徑分析 在靜態(tài)求解之后通過(guò)路徑分析來(lái)判斷梁上的應(yīng)力是否線(xiàn)性分布，在得到梁上應(yīng)力的線(xiàn)性分布區(qū)域之后，在應(yīng)力值最大的線(xiàn)性區(qū)域放置壓敏電阻。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 應(yīng)力的線(xiàn)性分布區(qū)域?yàn)榫嚯x梁根部和端部xxx um的范圍內(nèi)。為了最大限度地同時(shí)滿(mǎn)足傳感器靈敏度與線(xiàn)性度要求，選擇壓敏電阻的放置區(qū)域?yàn)榫嚯x梁根部和端部xxx um。在每個(gè)電阻的放置位置處選取三條路徑

12、，分析電阻位置處的應(yīng)力分布情況，求出電阻位置的平均橫向應(yīng)力與縱向應(yīng)力值。0204060801000.50.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.0Average Stress /MPaPosition on R1 /umttRR144t1121 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement根據(jù)上述方法得到8個(gè)電阻位置的平均縱向應(yīng)力與橫向應(yīng)力444444111117675. 466706

13、5. 055647. 72121tlRR4444443308075775. 40.66641557.4951-2121tlRR4444442210876. 40.663827.55372121tlRR4444444407918575. 40.66407157.4943-2121tlRR4444444408083975. 40.67237957.4893-2121tlRR44444422108095. 40.656727.559472121tlRR444444334.0831530.6673067.4992121tlRR444444114.1071950.6614057.5529852121tl

14、RR North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement4. 4. 輸出靈敏度分析輸出靈敏度分析ititioUUURRU144t1121ooxxUUs 電橋的輸出電壓輸出靈敏度 aUso5.5.橫向輸出靈敏度分析橫向輸出靈敏度分析 分別在x、y軸向加載A g的加速度，求解惠斯通電橋的輸出電壓，得到x、y方向的橫向靈敏度ooyyUUs North University of China Key Laboratory of Instrumentation Scie

15、nce & Dynamic Measurement6. 6. 阻尼的分析與設(shè)計(jì)阻尼的分析與設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)中添加粘滯流體，利用流體為結(jié)構(gòu)提供阻尼力可以降低結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值，避免結(jié)構(gòu)因共振而損壞。 將梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)等效為彈簧、阻尼器、質(zhì)量塊構(gòu)成的二階單自由度振動(dòng)系統(tǒng) ，如圖所示。經(jīng)分析，得ckm 加速度計(jì)等效模型 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 阻尼的設(shè)計(jì)可以通過(guò)靜電鍵合技術(shù)，在硅結(jié)構(gòu)層的下面制作玻璃蓋板實(shí)現(xiàn)。由流體力學(xué)的雷諾方程可知，調(diào)節(jié)

16、質(zhì)量塊玻璃蓋板間距可以調(diào)節(jié)阻尼參數(shù)。331dbabac5 , 3 , 1552tanh11921nabnnbaba其中 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement因此得到阻尼比與質(zhì)量塊-玻璃蓋板間距之間的關(guān)系，如圖。33122dmkbabamkc阻尼比的計(jì)算公式 綜合考慮四種結(jié)構(gòu)的性能要求以及工藝實(shí)現(xiàn)的精度要求，取質(zhì)量塊下底面與玻璃蓋板之間的距離為xxx um。得到四種結(jié)構(gòu)的阻尼比分別為w1、w2、w3和w4。 North University of

17、China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement7.7.抗過(guò)載能力分析與設(shè)計(jì)抗過(guò)載能力分析與設(shè)計(jì) 硅結(jié)構(gòu)層包括框架、質(zhì)量塊和四根梁 ；下層為玻璃結(jié)構(gòu)。靜電鍵合間距為5um。以量程為A g的結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行抗過(guò)載性能的仿真與分析。 當(dāng)作用在結(jié)構(gòu)上的加速度載荷1axxxxx g時(shí)，質(zhì)量塊在z方向上振動(dòng)的最大位移量達(dá)到5um，起到了限位保護(hù)作用。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic

18、 Measurement 復(fù)合量程微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement第三階段第三階段 工藝設(shè)計(jì)與仿真工藝設(shè)計(jì)與仿真 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 加工復(fù)合量程微加速度計(jì)的整套工藝流程包括硅工藝流程、玻璃工藝流程和鍵合劃片工藝流程三部分。 一、硅工藝一、硅工藝1、備片：

19、N型(100)硅片2、形成P-電阻區(qū)3、形成P+歐姆接觸區(qū) 4、第一次KOH背腔腐蝕，形成背腔5、第二次KOH背腔腐蝕，減薄質(zhì)量塊6、正面光刻引線(xiàn)孔7、正面濺射金屬鋁8、以鋁為掩模，正面ICP，釋放結(jié)構(gòu)9、正面光刻將鋁層圖形化做出導(dǎo)線(xiàn) North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurementa) 形成P-區(qū)b) 形成P+區(qū)c) 形成N+區(qū)d) 第一次背腔腐蝕e) 第二次背腔腐蝕f) 形成引線(xiàn)孔g) 鋁金屬引線(xiàn)、釋放結(jié)構(gòu)P-SiO2P+N+Si3N4凹槽SiAl硅加工

20、工藝流程 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic MeasurementB離子注入，形成P-區(qū) 濃硼摻雜，形成P+區(qū) 第一次背腔腐蝕 第二次背腔腐蝕 正面ICP刻蝕釋放結(jié)構(gòu) North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement二、玻璃工藝與靜電鍵合二、玻璃工藝與靜電鍵合 玻璃工藝所用的材料為Plan-optik Borofloat 33玻璃

21、，厚度為xxxxm。通過(guò)一次光刻在質(zhì)量塊正下方的玻璃上刻蝕出電極，在鍵合位置形成金屬指狀結(jié)構(gòu)，使硅結(jié)構(gòu)和玻璃結(jié)構(gòu)等電位，以避免質(zhì)量塊在鍵合過(guò)程中被吸合。隨后將玻璃結(jié)構(gòu)與硅結(jié)構(gòu)通過(guò)靜電鍵合制作在一起，最終得到復(fù)合量程微加速度計(jì)。 傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement三、版圖設(shè)計(jì)三、版圖設(shè)計(jì)復(fù)合量程微加速度計(jì)的整體結(jié)構(gòu) 共九張版圖，分別為P-壓阻版、P+歐姆接觸版、N版、背腔版1、背腔版2、引線(xiàn)孔版、金屬引線(xiàn)版、正面穿通版、金屬電極版

22、。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement1.P-1.P-壓阻版壓阻版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement2. P+2. P+歐姆接觸版歐姆接觸版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dy

23、namic Measurement3. N+3. N+抗干擾版抗干擾版 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 Inst

24、rumentation Science & Dynamic Measurement6.6.引線(xiàn)孔版引線(xiàn)孔版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement7. Al7. Al引線(xiàn)版引線(xiàn)版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement8.ICP8.ICP正面穿通版正面穿通版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement9.9.玻璃上金屬電極版玻璃上金屬電極版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Scien