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        新型聲表面波三軸加速度傳感器的設(shè)計(jì)仿真

        2020-10-28 05:05:30郭欣榕張永威譚秋林張文棟
        壓電與聲光 2020年5期
        關(guān)鍵詞:方向結(jié)構(gòu)

        郭欣榕,張永威,譚秋林,張文棟

        (中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原030051)

        0 引言

        聲表面波(SAW)技術(shù)因其無線無源特性在環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用已倍受關(guān)注。目前SAW傳感器用于溫度、壓力、濕度等監(jiān)測(cè)的應(yīng)用[1-3]已有報(bào)道。典型的SAW加速度傳感器采用一端固定、另一端安裝質(zhì)量載荷的壓電懸臂梁[4-5]作為敏感結(jié)構(gòu),當(dāng)加速度作用于懸臂梁及無阻尼端的質(zhì)量載荷,懸臂梁發(fā)生彎曲而引起SAW傳感器位置處的壓電懸臂梁發(fā)生變形,導(dǎo)致基底材料的聲速、彈性模量、密度等性質(zhì)發(fā)生變化[6-7],同時(shí)這些改變還會(huì)引起傳感器結(jié)構(gòu)的變化,最終引起傳感器信號(hào)的時(shí)延或頻移。采用單端懸臂梁結(jié)構(gòu)的SAW加速度傳感器體積較大,雖然可較好地測(cè)量加速度,但其僅能對(duì)某一方向的加速度進(jìn)行測(cè)量。本文設(shè)計(jì)了一種體積微小且可測(cè)量多方向加速度的三軸加速度傳感器,利用有限元模型對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行位移和應(yīng)變分析以驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論的可行性。通過對(duì)傳感器的模態(tài)分析獲得了傳感器的固有頻率,通過對(duì)各諧振器所處位置應(yīng)變的提取獲得了各諧振器頻率隨加速度變化的關(guān)系,為后續(xù)的SAW三軸加速度傳感器的實(shí)驗(yàn)研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。

        1 工作原理

        如圖1所示,本文設(shè)計(jì)的SAW三軸加速度傳感器采用四端五梁結(jié)構(gòu),傳感器可由完整硅酸鎵鑭(LGS)晶片通過微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝制造,首先在基片上表面制造SAW傳感器,然后在晶片表面制造掩膜層,通過濕法刻蝕工藝蝕刻去除多余部分制造出四端五梁結(jié)構(gòu)。圖中,LGS晶片和內(nèi)部刻蝕區(qū)域均為正方形結(jié)構(gòu),晶片基座外邊長(zhǎng)為W,晶片基座內(nèi)邊長(zhǎng)為w,晶片基座厚為k,懸臂梁寬為h,懸臂梁厚為t,z梁(橫截面為正方形)邊長(zhǎng)為b,z梁高度即晶片基座厚k。SAW三軸加速度傳感器基于SAW原理,采用SAW諧振器作為敏感單元,當(dāng)傳感器受到加速度作用發(fā)生扭曲變形,SAW諧振器所在位置處的懸臂梁的密度、彈性模量等性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變,引起SAW諧振器所在位置處的SAW相速度和傳感器結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,最終引起諧振頻率的變化。本文提出的三軸加速度傳感器利用不同位置的諧振器組成傳感器組,通過算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同軸向的加速度的傳感。z梁不僅作為質(zhì)量載荷可提高傳感器的靈敏度,還通過扭矩作用測(cè)量z軸方向的加速度。加速度傳感器芯片的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

        圖1 聲表面波三軸加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

        表1 芯片三維模型尺寸參數(shù)

        圖2為SAW三軸加速度傳感器的工作原理圖。圖2(a)為傳感器的平面示意圖。SAW三軸加速度傳感器采用4個(gè)SAW諧振器作為敏感單元,分別位于橫梁靠近中心的區(qū)域。其中,A、B為x方向加速度傳感器組,C、D為y方向加速度傳感器組,每個(gè)傳感器組采用1對(duì)結(jié)構(gòu)相同的SAW諧振器,不同傳感器組的SAW諧振器結(jié)構(gòu)不同,但4個(gè)諧振器的諧振頻率相同。圖2(b)為x方向的加速度引起的x橫梁變形示意圖。由于x與y梁關(guān)于中心點(diǎn)對(duì)稱,z梁位于x和y梁的幾何交叉中心處,且z梁僅在負(fù)方向分布。當(dāng)傳感器受到x方向的加速度時(shí),由于z梁的重心在懸臂梁外,z梁所產(chǎn)生的扭矩使x橫梁發(fā)生扭曲,諧振器A和B所在位置分別對(duì)應(yīng)拉伸或壓縮,且總是成對(duì)出現(xiàn)。圖2(c)為y方向的加速度引起的y橫梁變形示意圖,y橫梁的變形與x橫梁的變形情況類似。圖2(d)為z方向的加速度引起的x橫梁變形示意圖。由于y橫梁的變形與之類似,這里僅示出x橫梁的變形。由于x和y梁均關(guān)于中心點(diǎn)對(duì)稱,因此,z方向加速度對(duì)x和y梁的影響相同。SAW諧振器的頻率漂移主要與諧振器所在位置處的應(yīng)變相關(guān),因此,通過仿真獲取不同加速度對(duì)芯片造成的力學(xué)影響可研究傳感器的響應(yīng)。

        圖2 SAW三軸加速度傳感器工作原理圖

        SAW諧振器的諧振頻率可定義為

        (1)

        式中:f為SAW諧振器的諧振頻率;λ為叉指電極的周期;v為壓電基底上沿SAW諧振器傳播方向的相速度。

        f主要受壓電基底的相速度和諧振器的叉指周期的影響,因此,諧振頻率的變化[8]可定義為

        (2)

        式中:f0為初始諧振頻率;dλT為溫度引起的諧振器結(jié)構(gòu)的變化;dλa為加速度引起的諧振器結(jié)構(gòu)的變化;dvT為溫度引起的相速度變化;dva為加速度引起的相速度變化。

        溫度和加速度均可引起諧振器的結(jié)構(gòu)變形和壓電基底材料的相速度發(fā)生改變。加速度主要引起傳感器結(jié)構(gòu)的改變,但對(duì)相速度改變的貢獻(xiàn)極??;溫度對(duì)諧振器的結(jié)構(gòu)和基底相速度的改變均有影響,因此,可忽略dva對(duì)諧振頻率的影響,即:

        (3)

        式中εa=dλa/λ,εT=dλT/λ分別為加速度和溫度引起的諧振器所在位置處的應(yīng)變。

        由于同組諧振器采用相同的切向和結(jié)構(gòu),兩諧振器擁有相同的諧振頻率,由溫度引起的應(yīng)變和相速度的變化也相同,因此,同組兩諧振器頻率變化之差為

        dfx=dfA-dfB=fBεaBx-fAεaAx=

        fA(εaBx-εaAx)

        (4)

        dfy=dfC-dfD=fDεaDy-fCεaCy=

        fC(εaDy-εaCy)

        (5)

        式中x,y為應(yīng)變方向。

        由于同組兩傳感器位置處的應(yīng)變大小相等,性質(zhì)相反,因此有:

        dfx=2fAεaBx

        (6)

        dfy=2fCεaDy

        (7)

        當(dāng)考慮z方向的加速度響應(yīng)時(shí),x或y方向的加速度對(duì)懸臂梁產(chǎn)生非對(duì)稱影響,這意味著其對(duì)同組內(nèi)兩傳感器的影響不同,因此,必須設(shè)計(jì)合理的解耦算法消除x或y方向加速度對(duì)z方向加速度傳感器產(chǎn)生的影響??紤]到x或y方向的加速度對(duì)同組傳感器的影響性質(zhì)相反,可通過相加消除,因此,本文采用各傳感器之和,即:

        dfz=dfA+dfB+dfC+dfD=

        -2fA(εaAz+εaCz)

        (8)

        作為z方向加速度引起的頻率變化量,即可消除由x或y方向加速度對(duì)z軸加速度傳感器的影響。加速度傳感器的靈敏度定義為

        (9)

        式中:a為加速度;ki=dfi/fi為相對(duì)頻率變化;i=x,y,z。

        假設(shè)在SAW諧振腔的覆蓋范圍內(nèi),應(yīng)力和應(yīng)變的變化不大,通過提取有限元模型中諧振器所在位置處的應(yīng)變即可獲得諧振器頻率的變化。本文建立的有限元模型采用歐拉坐標(biāo)系,所采用的LGS的材料參數(shù)為密度、彈性矩陣、耦合矩陣和相對(duì)介電常數(shù)[9]。

        2 仿真結(jié)果分析

        2.1 靜態(tài)分析

        利用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)三軸加速度傳感器進(jìn)行靜態(tài)仿真分析,將模型基座的邊界條件設(shè)置為固定約束,并對(duì)模型加載加速度體載荷。LGS采用0°、138.5°、0°切向,加速度方向?yàn)?x方向,大小為1g(g=9.8 m/s2),分析加速度傳感器的位移和應(yīng)變情況。由圖3(a)可看出,當(dāng)加速度為1g時(shí),最大位移發(fā)生在z梁底端,最大位移為25.1×10-7mm。由圖3(b)可以看出,x梁上的位移關(guān)于中心對(duì)稱分布,A和B諧振器位置處的位移量幾乎相同,y梁上的位移變化可以忽略,這與理論分析吻合。圖3(c)為三軸加速度傳感器在x方向加速度為-1g時(shí)的應(yīng)變分布。由圖可以看出,x梁上的應(yīng)變與位移分布具有較好的一致性,并且在A和B諧振器位置處的應(yīng)變性質(zhì)恰好相反,最大應(yīng)變?yōu)?.058 61×10-6。

        圖3 -x方向1g加速度載荷下芯片的位移和應(yīng)變

        圖4(a)為-y方向1g加速度載荷下芯片的位移分布。由于LGS為各向異性的晶體材料,其不同切向具有不同的性質(zhì),因此,當(dāng)施加1g的加速度時(shí),y橫梁表面截線上的最大位移(見圖4(b))略小于x橫梁表面截線上的最大位移(見圖3(b)),其應(yīng)

        圖4 -y方向1g加速度載荷下芯片的位移和應(yīng)變

        變也略小于x橫梁表面截線的最大應(yīng)變。根據(jù)式(6)、(7),諧振頻率的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比,即x方向傳感器組的S比y方向傳感器組的S大。y橫梁上的最大應(yīng)變?yōu)?.041 85×10-6。

        圖5為-z方向1g加速度載荷下芯片的位移和應(yīng)變。由于x、y橫梁表面截線上的位移分布相同,這里僅給出x橫梁表面截線上的位移分布。由圖5可看出,由于x和y橫梁的對(duì)稱幾何結(jié)構(gòu),z軸加速度引起橫梁的位移關(guān)于中心對(duì)稱,且同組傳感器位置處的應(yīng)變性質(zhì)相同,大小幾乎相等,這驗(yàn)證了z軸傳感器解耦理論的可行性。

        圖5 -z方向1g加速度載荷下芯片的位移和應(yīng)變

        2.2 模態(tài)分析

        當(dāng)施加到三軸加速度傳感器芯片上的加速度的頻率(在動(dòng)態(tài)測(cè)試中加速度是動(dòng)態(tài)變化的,需要考慮加速度的頻率)與傳感器的固有頻率相等或相近時(shí),會(huì)引發(fā)傳感器的共振現(xiàn)象。共振現(xiàn)象會(huì)引起傳感器的結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變形,以致器件失效或損毀,因此,必須在設(shè)計(jì)階段考慮傳感器的共振,并盡可能提高傳感器的固有頻率。通過COMSOL Multiphysics軟件對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,可獲得傳感器結(jié)構(gòu)的振型和固有頻率。圖6為本文所提出的傳感器結(jié)構(gòu)的4種低頻模態(tài),其固有頻率分別為5 892 Hz、11 054 Hz、12 822 Hz和31 011 Hz。本文傳感器設(shè)計(jì)的使用環(huán)境為0~1 kHz。因此,該結(jié)構(gòu)足以保證傳感器的正常穩(wěn)定工作。

        圖6 諧振振型圖

        2.3 性能分析

        圖7為加速度從-1g~1g變化時(shí)各軸向傳感器的頻率響應(yīng)。由圖7(a)可知,當(dāng)x方向無加速度時(shí),由于諧振器A、B的諧振頻率相同,因此,兩諧振器頻率差為0;當(dāng)-x方向存在加速度時(shí),A諧振器的諧振頻率隨加速度增大而增大,與之相對(duì),B諧振器的諧振頻率隨加速度增大而減小,根據(jù)式(6)可得,dfx<0;當(dāng)+x方向存在加速度時(shí),情況正好相反,dfx>0,因此,可通過dfx的符號(hào)判斷軸向加速度的方向。同理,y軸加速度的方向同樣可通過dfy的符號(hào)判斷(見圖7(b))。圖7(c)為根據(jù)式(8)計(jì)算得到的z軸加速度與相對(duì)頻率變化的關(guān)系。由于采用各傳感器諧振頻率變化之和作為z軸加速度的指標(biāo),因此,當(dāng)z軸加速度為負(fù)時(shí),各諧振器的諧振頻率變化均為正值;當(dāng)z軸加速度為正時(shí),各諧振器的諧振頻率變化均為負(fù)值,z軸加速度與相對(duì)頻率變化呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。根據(jù)計(jì)算得到x、y和z方向的加速度靈敏度分別為0.105 4×10-6/g、0.076 9×10-6/g和-0.462 9×10-6/g。

        圖7 各軸向傳感的相對(duì)頻率變化

        3 結(jié)束語

        本文提出了一種聲表面波三軸加速度傳感器,通過采用四端五軸結(jié)構(gòu)和諧振器位置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了x和y方向傳感的溫度漂移補(bǔ)償和三軸加速度的解耦測(cè)量。利用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)傳感器進(jìn)行了有限元建模和仿真,獲得了傳感器在不同方向的加速度載荷下的位移和應(yīng)變分布,并獲得了不同方向加速度的頻率響應(yīng),驗(yàn)證了所提出的傳感器測(cè)量理論的可行性。通過對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析獲得了傳感器不同的固有頻率,為避免傳感器破壞提供了依據(jù)。根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算得到x、y和z方向的加速度靈敏度分別為0.105 4×10-6/g、0.076 9×10-6/g和-0.462 9×10-6/g。

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