李 祥,石云波*,董勝飛,李 策,趙 赟

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;3.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,太原 030051)

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基于微梁的面內(nèi)高g值加速度計(jì)設(shè)計(jì)*

李 祥1,2,3,石云波1,2,3*,董勝飛1,2,3,李 策1,2,3,趙 赟1,2,3

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;3.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,太原 030051)

提出了一種基于微梁的面內(nèi)高g值加速度計(jì)的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)材料力學(xué)中懸臂梁的相關(guān)理論,建立了微梁檢測結(jié)構(gòu)的等效模型,推導(dǎo)出了微梁應(yīng)力和中間主梁應(yīng)力的比值的表達(dá)式。通過改變結(jié)構(gòu)的尺寸來調(diào)節(jié)比值,可以設(shè)計(jì)出更高量程和更高靈敏度的壓阻式傳感器。利用ANSYS軟件對微梁和中間主梁的最大應(yīng)力及電阻區(qū)應(yīng)力進(jìn)行了仿真分析,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。完成了一種量程可達(dá)15萬gn的面內(nèi)雙軸高g值傳感器的設(shè)計(jì)。

面內(nèi)加速度計(jì);微梁;高靈敏度;高量程;MEMS

近二三十年來,壓阻式傳感器在國內(nèi)外有很大的發(fā)展,被廣泛的應(yīng)用在軍事工程、宇航工程、石化工業(yè)等領(lǐng)域的靜態(tài)與動態(tài)的測試系統(tǒng)中[1-3]。隨著三軸傳感器在軍事上各種彈丸侵徹硬目標(biāo)以及大當(dāng)量沖擊波場爆炸威力過程中的應(yīng)用越來越受到全世界范圍內(nèi)的重視,它對于戰(zhàn)略武器的發(fā)展具有舉足輕重的作用[4-6]。然而國內(nèi)傳感器的低靈敏度一直是設(shè)計(jì)的難題。在設(shè)計(jì)傳感器的時候,加速度傳感器的量程與靈敏度是一對相矛盾的指標(biāo),即要獲得具有較高量程的加速度傳感器,就要犧牲傳感器的靈敏度,要增加結(jié)構(gòu)的靈敏度就要犧牲傳感器的量程。如何設(shè)計(jì)一種既有固支梁結(jié)構(gòu)的高量程同時又具有懸臂梁結(jié)構(gòu)的高靈敏度成為壓阻式加速度傳感器設(shè)計(jì)的一難題[7-9]。本文設(shè)計(jì)了一種基于微梁的面內(nèi)高g加速度計(jì)。微梁的增加使傳感器能承受更大的加速度,同時微梁上的大應(yīng)變能更靈敏的加速度計(jì)的參數(shù)。

1 新傳感器的介紹

本文設(shè)計(jì)了一種基于微梁的雙軸MEMS面內(nèi)高g值傳感器。該傳感器可以實(shí)現(xiàn)對水平面內(nèi)X和Y方向加速度的測量。傳感器結(jié)構(gòu)包括硅基支撐框架和4個敏感結(jié)構(gòu),4個敏感結(jié)構(gòu)是X-1敏感結(jié)構(gòu)、X-2敏感結(jié)構(gòu)、Y-1敏感結(jié)構(gòu)、Y-2敏感結(jié)構(gòu),均勻分布在中心處錨塊四周;X-1敏感結(jié)構(gòu)和X-2敏感結(jié)構(gòu)在X軸方向上,Y-1敏感結(jié)構(gòu)、Y-2敏感結(jié)構(gòu)在Y軸方向上如圖1所示。任意一個敏感結(jié)構(gòu)都包括一個質(zhì)量塊和4個懸臂梁。以X-2敏感結(jié)構(gòu)為例,4個懸臂梁分別是左側(cè)的獨(dú)立支撐梁和右側(cè)的中間主梁及兩個與中間主梁平行的微梁;兩個微梁內(nèi)側(cè)分別設(shè)有壓敏電阻,如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 X-2敏感結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

在圖1、圖2中:1為X-1敏感結(jié)構(gòu);2為Y-1敏感結(jié)構(gòu);3為X-2敏感結(jié)構(gòu);4為Y-2敏感結(jié)構(gòu);5～12為壓敏電阻;13為硅基框架;14為中心處錨塊;15為獨(dú)立支撐梁;16為中間主梁;17為微梁;18為質(zhì)量塊。

當(dāng)傳感器受到與傳感器所在平面平行的X方向的加速度時,X-1敏感結(jié)構(gòu)和X-2敏感結(jié)構(gòu)上的質(zhì)量塊將在加速度方向上產(chǎn)生與加速度大小對應(yīng)的位移,中間主梁、微梁與獨(dú)立支撐梁上應(yīng)力發(fā)生變化,應(yīng)力導(dǎo)致微梁上應(yīng)變壓敏電阻發(fā)生參數(shù)變化,通過X-1敏感結(jié)構(gòu)和X-2敏感結(jié)構(gòu)微梁上的4個壓敏電阻構(gòu)成的惠斯通全橋可以測得X方向加速度的情況。同理,當(dāng)傳感器受到與傳感器所在平面平行的Y方向的加速度時,傳感器也可以測得Y方向加速度的情況。新傳感器采用了微梁檢測結(jié)構(gòu),下面將主要介紹基于微梁的敏感結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2 敏感結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

壓阻效應(yīng)為設(shè)計(jì)壓阻式傳感器提供了最基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理論。據(jù)壓阻式傳感器的測試原理可知,傳感器的靈敏度與壓敏電阻上應(yīng)力有直接關(guān)系[10-11]。靈敏度

其中電阻的變化率

由以上可知,當(dāng)敏感結(jié)構(gòu)受到加速度作用時,其檢測梁上的電阻區(qū)域的應(yīng)力越大,結(jié)構(gòu)的靈敏度越高。這就將微梁作為檢測梁提供了理論基礎(chǔ)。通過分析梁的應(yīng)力可以找到設(shè)計(jì)更優(yōu)傳感器的方案。根據(jù)微梁的設(shè)想,設(shè)計(jì)了一種敏感結(jié)構(gòu),如圖3所示。敏感結(jié)構(gòu)包括一個質(zhì)量塊和4個懸臂梁,質(zhì)量塊一側(cè)與一個獨(dú)立支撐梁固連,另一側(cè)與一個中間主梁和兩個微梁固連。每個梁的末端都具有約束。因?yàn)楠?dú)立支撐梁在結(jié)構(gòu)中起到支撐質(zhì)量塊,增加結(jié)構(gòu)的剛度和固有頻率的作用,所以在本文中并不分析獨(dú)立支撐梁的受力情況。根據(jù)材料力學(xué)知識[12-13],慣性力對結(jié)構(gòu)的作用視為集中力,質(zhì)量塊視為剛體即質(zhì)量塊在載荷作用下不發(fā)生形變。下面將從力學(xué)方面分析微梁和中間主梁的受力情況。

圖3 敏感結(jié)構(gòu)示意圖

同理可得中間主梁

通過比值的表達(dá)式可以發(fā)現(xiàn):微梁和中間主梁的最大應(yīng)力的比值與微梁和中間主梁的寬度比值是正比例關(guān)系,與微梁和中間主梁的長度比值的二次冪是反比例關(guān)系。由此可見,微梁和中間主梁的長度主要決定了比值的大小。而且由于加工工藝的約束和為了保證結(jié)構(gòu)剛度,微梁和中間主梁的寬度不能很大改動。這就局限了在設(shè)計(jì)傳感器的時候通過調(diào)節(jié)微梁和中間主梁的寬度之比來達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。而微梁的長度在保證電阻的正常設(shè)計(jì)下是可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的?？s短微梁長度,增大中間主梁長度,保證中間主梁寬度,盡量縮短微梁寬度是設(shè)計(jì)傳感器時的最佳選擇。同時,微梁使得結(jié)構(gòu)受到的約束變得多了,增大了結(jié)構(gòu)的剛度。

在設(shè)計(jì)傳感器的時候,我們只要保證微梁和中間主梁的最大應(yīng)力比值大于1,就能夠保證微梁作為檢測梁的可行性。為了得到更好的靈敏度,建議比值大于1.5。

考慮到加工工藝和傳感器振動頻率的限制,本文設(shè)計(jì)的傳感器尺寸如表1所示。計(jì)算出微梁和中間主梁的最大應(yīng)力的比值為

表1 傳感器尺寸 單位:μm

3 有限元仿真分析

在確定了傳感器尺寸后,利用ANSYS建立有限元模型,對敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真驗(yàn)證,如圖4所示,加載Y軸負(fù)方向150 000gn加速度。當(dāng)受到Y(jié)方向150 000gn的加速度載荷時,梁上的應(yīng)力分布如圖4所示,可以看見結(jié)構(gòu)的最大的等效應(yīng)力為56.6 MPa,最大位移為0.22 μm,小于硅的斷裂強(qiáng)度。

圖4 敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖

圖5 模態(tài)分析振型圖

模態(tài)分析可以用來分析結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,以及預(yù)測結(jié)構(gòu)是否可以承受一定程度的加速度載荷。高g值的傳感器的工作環(huán)境一般都比較惡劣,如果外界激勵頻率接近傳感器的固有頻率,會引起結(jié)構(gòu)的共振,對結(jié)構(gòu)的損害性較大[15]。利用ANSYS 12.0有限元軟件得到振型如圖5所示,結(jié)果表2所列。結(jié)構(gòu)的敏感振動方向?yàn)閅方向,頻率高達(dá)371.37 kHz,能夠有效地避免共振的發(fā)生。從結(jié)果中還可以看出二階振動頻率比一階振動頻率大一倍多,這樣就能避免發(fā)生耦合振動的情況,使傳感器更加穩(wěn)定[16]。

表2 各階振動頻率

另外,為了更明確地證明微梁作為檢測結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性,在中間主梁和微梁上做路徑分析,主要分析路徑上適合制作電阻位置區(qū)域上的應(yīng)力大小。路徑的位置如圖6所示。路徑上的正應(yīng)力信息如表3所示。

圖6 路徑位置圖

表3 路徑上最大應(yīng)力值

從表中可知,路徑1和路徑2的最大正應(yīng)力數(shù)值相等,方向相反;路徑1和路徑2的最大正應(yīng)力值大約是路徑3的最大正應(yīng)力值的1.633倍。這與理論計(jì)算的比值相差不大,說明結(jié)構(gòu)模型正確。

圖7 路徑2的應(yīng)力分布曲線

圖7是微梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力表面沿路徑2的應(yīng)力分布曲線,圖8是微梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力表面沿路徑3的應(yīng)力分布曲線。其中,SX為結(jié)構(gòu)在該路徑上所受X向應(yīng)力,SY為結(jié)構(gòu)在該路徑上所受Y向應(yīng)力,同時在圖中也標(biāo)出了可以用于電阻的位置。兩圖對比可以發(fā)現(xiàn)路徑2,也就是微梁上電阻區(qū)域的最大正應(yīng)力是路徑3中間主梁上電阻區(qū)域的最大正應(yīng)力的兩倍。這說明微梁作為檢測結(jié)構(gòu)的實(shí)用性更大,能得到更高的靈敏度,為設(shè)計(jì)更優(yōu)的傳感器提供了思路。

圖8 路徑3的應(yīng)力分布曲線

4 總結(jié)

本文通過材料力學(xué)的相關(guān)知識發(fā)現(xiàn)微梁上最大應(yīng)力和中間主梁最大應(yīng)力的比值可以反映出傳感器的靈敏度情況。比值大說明微梁受到的應(yīng)力比中間主梁受到的應(yīng)力大,測得的靈敏度就高。微梁作為檢測梁比中間主梁作為檢測梁更能敏感地檢測加速度的大小。同時微梁也可以提高傳感器的剛度,增大了量程。本文又利用ANSYS軟件在微梁和中間主梁上做了路徑分析,發(fā)現(xiàn)微梁上的正應(yīng)力和中間主梁上的正應(yīng)力比值與理論計(jì)算比值非常接近,驗(yàn)證了微梁設(shè)計(jì)理論,并且利用微梁敏感結(jié)構(gòu),合理的設(shè)計(jì)了一種雙軸面內(nèi)高g傳感器。這為設(shè)計(jì)更高量程和更高靈敏度的壓阻式傳感器提供了廣闊的前景。

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李祥(1989-),男,漢族,碩士研究生,主要從事MEMS傳感器設(shè)計(jì)、測試等方面研究,lixiang_0893@163.com;

石云波(1972-),男,中北大學(xué)副教授,目前主要從事MEMS、微慣性器件等方面的研究,參加了國防973、國家863、國家自然基金等多項(xiàng)科研項(xiàng)目,獲得山西省技術(shù)發(fā)明一等獎1項(xiàng)、高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)一等獎2項(xiàng)、國內(nèi)發(fā)明專利4項(xiàng)、發(fā)表論文24篇,y.b.shi@126.com。

DesignofanIn-PlaneHigh-gValueMEMSAccelerometerBasedontheMicroBeam*

LIXiang1,2,3,SHIYunbo1,2,3*,DONGShengfei1,2,3,LICe1,2,3,ZHAOYun1,2,3

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement(North University of China),Ministry of Education,Taiyuan 030051,China;2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory(North University of China),Taiyuan 030051,China;3.School of Instrument and Electronics,North University of China,Taiyuan 030051,China)

A design of the High-gacceleration meter was proposed based on the inner surface micro-beam. According to the theory of mechanics of materials cantilever,the equivalent model of micro beam detection structure is established,and the expression of the micro beam and main girder stress ratio is calculated,Greater range and higher sensitivity piezoresistive sensors were designed by changing the size of the structure to adjust the ratio. Using ANSYS software which can emulate the maximum stress and resistance area stress of micro-beam and the main beam in the middle part verifies the reliability of the design theory. An in-plane Biaxial High-gvalue in the range of up to 150 000gnsensor was designed.

in-plane accelerometer;micro beam;high sensitivity;large range;MEMS

項(xiàng)目來源:“十二五”總裝備部預(yù)研項(xiàng)目

2014-07-01修改日期:2014-08-25

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.10.002

TP212

:A

:1004-1699(2014)10-1310-05