劉智輝， 王明偉， 李玉玲， 田 雷

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)壓阻加速度計具有性能高、體積小、成本低的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、航天、航空、兵器等領(lǐng)域[1]。

加速度計的橫向輸出是指垂直于敏感軸方向的加速度引起的輸出[2]。橫向輸出越小，加速度計測量精度越高。特別是在姿態(tài)控制、慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用，橫向輸出會引起加速度方向的計算誤差[3]，所以要求加速度計的橫向輸出誤差在1 %以內(nèi)。

為降低MEMS加速度計的橫向輸出，國內(nèi)外開展了大量研究。最早的MEMS加速度計采用單懸臂梁結(jié)構(gòu)，在工作模態(tài)下，由于結(jié)構(gòu)不對稱，橫向輸出較大；隨后出現(xiàn)了雙端固支結(jié)構(gòu)，比如美國ICSensors公司的3031系列產(chǎn)品，采用雙端四梁固支結(jié)構(gòu)，充分利用結(jié)構(gòu)對稱性抑制了橫向輸出，該系列產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，橫向靈敏度小于3 %，最小值1 %[4]。雙端固支四梁結(jié)構(gòu)的敏感梁和力敏電阻器制作于質(zhì)量塊的上表面，敏感梁的中平面與質(zhì)量塊的質(zhì)心不在同一個水平面上，當(dāng)有橫向加速度時，在力矩的作用下，力敏電阻值的變化不能通過電橋平衡[5]。

本文采用了自主設(shè)計的雙端固支十二梁結(jié)構(gòu)[6]，建立了力學(xué)模型，分析了橫向特性，通過仿真對分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。研制了MEMS加速度計，測得橫向靈敏度比小于3 %，最小值達(dá)到了1 %。

1 敏感軸分析

雙端固支十二梁結(jié)構(gòu)由固支框、質(zhì)量塊、四條支撐梁和八條敏感梁組成，敏感方向(z軸)垂直于xoy平面，如圖1(a)。MEMS加速度敏感芯片由硅上蓋、硅敏感結(jié)構(gòu)層、硅下蓋組成，如圖1(b)。敏感梁的尺寸為：長l，寬wb，高h(yuǎn)b。支撐梁的尺寸為：寬wf，高h(yuǎn)f。質(zhì)量塊長L，寬W，厚H。單晶硅的彈性模量E=1.7×1011Pa，密度ρ=2 328 kg/m3。重力加速度gn=9.8 m/s2，壓阻系數(shù)π44=80×10-11Pa-1，力敏電阻器長度為lr。

圖1 敏感結(jié)構(gòu)和敏感芯片結(jié)構(gòu)

當(dāng)z軸有大小為a的加速度時，質(zhì)量塊m產(chǎn)生向下的慣性力為ma。質(zhì)量塊視為剛體，梁的質(zhì)量忽略，可以認(rèn)為慣性力作用在質(zhì)量塊的質(zhì)心。由工程力學(xué)可知，電阻器上平均應(yīng)力為[7，8]

(1)

由壓阻效應(yīng)原理，當(dāng)供電電壓為Vs時,靈敏度為

(2)

2 交叉軸分析

將8個力敏電阻器連接成如圖2的惠斯通電橋，可以抵消x軸加速度和y軸加速度引起的扭轉(zhuǎn)變形的交叉軸輸出(表1)。y軸加速度引起質(zhì)量塊平動的交叉軸輸出無法通過電橋連接抵消的，只能通過設(shè)計降低。

圖2 惠斯通電橋

激勵方向(運(yùn)動方式)z軸x軸(平動)x軸(繞y扭轉(zhuǎn))y軸(平動)y軸(繞x扭轉(zhuǎn))R1+++--R2---++R3-++++R4+----R5+++-+R6---+-R7-+++-R8+---+

當(dāng)y軸有大小為a的加速度時y軸平動位移

(3)

y軸平動引起的敏感梁上平均應(yīng)力

(4)

(5)

優(yōu)化后的敏感結(jié)構(gòu)尺寸Wb為10 μm，hb為20 μm,Wf為150 μm,hf為10 μm,靈敏度S為0.48 mV/gn/5 VDC和y軸平動橫向輸出比TSRyx為0.458 %。

3 仿 真

用ANSYS建立有限元模型如圖3。

圖3 有限元模型

給質(zhì)量塊施加1gn的z軸加速度載荷，得到的結(jié)構(gòu)位移如圖4(a)所示。在1gn的加速度作用下，應(yīng)力在0.18 MPa左右，如圖4(b)。

圖4 z軸位移和應(yīng)力分布

梁中線上平面應(yīng)力Sxx(正應(yīng)力),Syy(正應(yīng)力),Sxy(剪切應(yīng)力)的分布如圖5。

圖5 z軸1 gn載荷下梁上應(yīng)力分布曲線

當(dāng)y軸加載1gn加速度時，最大應(yīng)力小于6 kPa，如圖6，小于z軸加載1gn加速度時最大應(yīng)力的3.3 %。通過電橋的合理連接，可以將電橋響應(yīng)降低至1 %以下。

圖6 y軸應(yīng)力分布

從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，敏感梁上剪切應(yīng)力Sxy與正應(yīng)力Sxx的數(shù)值可比擬。但是由于力敏電阻器沿〈110〉晶向，壓阻系數(shù)π＇16=0，力敏電阻對剪切應(yīng)力Sxy不敏感。

4 芯片制作和測試

利用MEMS體硅工藝完成三層硅結(jié)構(gòu)加速度芯片，如圖7。工藝過程中，雙面光刻的對準(zhǔn)誤差越大，敏感結(jié)構(gòu)對稱性就越差，惠斯通電橋的橫向輸出抑制效果就越差，通過加強(qiáng)雙面對準(zhǔn)的工藝的監(jiān)測，將加工誤差控制在1 μm以內(nèi)。

圖7 芯片和測試樣品

加速度是矢量，對角度偏差非常敏感。封裝和測試引入的敏感軸偏離會明顯增加產(chǎn)品的橫向輸出。如邊長3.5 mm的芯片，貼裝時膠膜厚度差0.1 mm，偏軸角達(dá)到2°，引入交叉軸干擾2.8 %。芯片貼裝時使用流淌性好、線膨脹系數(shù)小的貼片膠有助于控制貼裝角度。測試時用到的各類夾具也應(yīng)經(jīng)過偏軸角度測定，才能保證測試的準(zhǔn)確性。

樣品在中航工業(yè)304所完成測試，依據(jù)JJF1116—2004《線加速度計的精密離心機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范》完成性能測試，測試結(jié)果如表2和圖8。

表2 測試結(jié)果

圖8 3#樣品輸入輸出曲線

5 結(jié) 論

本文研究了加速度傳感器的橫向輸出抑制技術(shù)，分析了十二梁結(jié)構(gòu)的敏感軸特性和橫向特性，通過合理排布力敏電阻，充分利用惠斯通電橋的抑制作用，抵消了x軸平動、x軸扭轉(zhuǎn)、y軸扭轉(zhuǎn)的橫向輸出。

分析了y軸平動引起的敏感軸輸出，通過增強(qiáng)敏感結(jié)構(gòu)的y軸剛度，成功將y軸平動引起的橫向輸出理論值降低到了0.458 %。

討論了芯片加工、封裝、測試中工藝誤差、安裝角度引起的橫向輸出以及解決方案。

制作了量程100gn的傳感器樣品，利用精密離心機(jī)完成x,y,z三軸的輸入輸出特性測試，測試結(jié)果表明，x軸的橫向靈敏度比小于1 %，y軸的橫向靈敏度比小于3 %，可以達(dá)到1 %。該傳感器適用于軍事、工業(yè)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。