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1、 North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement微加速度计设计North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement1.量程:010g、0100g、01000g和010000g性能指标2.抗过载能力大于10000g 3.频响范围：1kHz 4.具有抗干扰能力 North University of ChinaKey Laboratory of I
2、nstrumentation Science & Dynamic Measurement第一阶段 知识储备North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement一、压阻式微加速度计的工作原理以单晶硅为例，当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电 阻率发生显著变化的效应称为压阻效应。 压阻式微传感器结构压阻效应工作原理North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measur
3、ementR1R2R3R4压敏电阻的相对变化量与应力的关系为在平衡情况下在加速度作用下惠斯通电桥连接所以有North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement二、硅材料的选择室温下，N型和P型硅电阻的11、12、44的数值如下。 11、12、44的数值 （10-11 m2/N）晶 体电阻类 型111244SiP 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
4、、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44。North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement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 North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement (a)和(b)为悬臂梁式结构，优点是灵敏度高，
5、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。 North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement四、设计
6、约束材料属性约束硅的材料参数 (m-N-kg)参数EXPRXY弯曲强度断裂强度硅2.3310-151.91050.370-2107000一般硅材料所能承受的最大应变为 ，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 。为了满足这个范围，梁根 部的最大等效应力值不超过80MPa。North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement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）
7、： b1=80m； 3) 梁长（L1） ： L1 =30m； 5) 质量块厚度（h2） h2频响范围的5倍），一阶振型是否在 敏感方向(z方向)内振动。 North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic MeasurementSET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE1 26908. 1 1 12 35464. 1 2 23 59671. 1 3 34 72029. 1 4 45 0.32776E+06 1 5 5对0-100g结构进行模态分析，得到
8、结构的前五阶固有频率 及其前三阶的振型如下所示。North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement结构静力学分析主要用来分析 由于稳态外载荷所引起的系统的位 移、应力和应变，其中稳态载荷主 要包括外部施加的力和压力、稳态 的惯性力如重力。 在该结构设计时，在结构上加 载满量程加速度值（如为0-100g量 程的结构，在进行静力学分析时加 载100g的加速度），查看结果时， 主要判断梁上的最大等效应力值是 否超过硅材料的弯曲强度(80MPa)。2.静力学分析结构等效应力分布
9、云图North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement3.路径分析在静态求解之后通过路径分析来判断梁上的应力是否线性 分布，在得到梁上应力的线性分布区域之后，在应力值最大 的线性区域放置压敏电阻。North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement应力的线性分布区域为距离梁根部和端部20um的范围内 。为了最大限度地同时满足传感器灵敏度与线性度要求
10、，选 择压敏电阻的放置区域为距离梁根部和端部20um。在每个电 阻得放置位置处选取三条路径，分析电阻位置处的应力分布 情况，求出电阻位置的平均横向应力与纵向应力值。North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement4. 输出灵敏度分析电桥的输出电压输出灵敏度5.横向输出灵敏度分析分别在x、y轴向加载100g的加速度，求解惠斯通电桥 的输出电压，得到x、y方向的横向灵敏度North University of ChinaKey Laboratory of Instrume
11、ntation Science & Dynamic Measurement6. 阻尼的分析与设计在系统中添加粘滞流体，利用流体为结构提 供阻尼力可以降低结构的振动幅值，避免结构因 共振而损坏。 将梁-质量块结构等效为弹簧、阻尼器、 质量块构成的二阶单自由度振动系统 ，如图 所示。经分析，得ckm加速度计等效模型North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement阻尼的设计可以通过静电 键合技术，在硅结构层的下面 制作玻璃盖板实现。由流体力 学的雷诺方程可知，调节质量 块-
12、玻璃盖板间距可以调节阻 尼参数。其中North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement7.抗过载能力分析与设计硅结构层包括框架、质量块和四 根梁 ；下层为玻璃结构。静电键合间 距为5um。以量程为100g的结构为例进 行抗过载性能的仿真与分析。 当作用在结构上的加速度载荷g时，质量块在z方向上 振动的最大位移量达到5um，起到了限位保护作用。North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Scienc
13、e & Dynamic Measurement微加速度计结构示意图North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement第三阶段 工艺设计与仿真 North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement加工复合量程微加速度计的整套工艺流程包括硅工艺流 程、玻璃工艺流程和键合划片工艺流程三部分。 一、硅工艺1、备片：N型(100)硅片 2、形成P-电阻区 3
14、、形成P+欧姆接触区 4、第一次KOH背腔腐蚀365m，形成背腔 5、第二次KOH背腔腐蚀5m，减薄质量块 6、正面光刻引线孔 7、正面溅射金属铝 8、以铝为掩模，正面ICP 30um，释放结构 9、正面光刻将铝层图形化做出导线North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurementa) 形成P-区b) 形成P+区c) 形成N+区d) 第一次背腔腐蚀e) 第二次背腔腐蚀f) 形成引线孔g) 铝金属引线、释放结构P -SiO2P+N+Si3N4凹槽SiAl硅加工工艺流程 Nor
15、th University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic MeasurementB离子注入，形成P-区 浓硼掺杂，形成P+区 第一次背腔腐蚀365微米 第二次背腔腐蚀5微米 正面ICP刻蚀释放结构North University of ChinaKey Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement二、玻璃工艺与静电键合玻璃工艺所用的材料为Plan-optik Borofloat 33玻璃，厚 度为525m。通过一次光刻在质量块正下方的玻璃上刻蚀出电 极，在键合位置形成金属指状结构，使硅结构和玻璃结构等电 位，以避免质量块在键合过程中被吸合。随后将玻璃结构
