李 凱,單 恒,蒲金飛,2,陳偉琪,吳學忠,侯占強

(1.國防科技大學 智能科學學院,湖南 長沙 410073；2.唐智科技湖南發(fā)展有限公司,湖南 長沙 410007)

0 引 言

微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)加速度傳感器的研究與開發(fā)始于20世紀80年代初,采用MEMS和集成電路(integrated circuit,IC)加工工藝生產(chǎn)。它吸收了多種學科的研究成果,具有集成電路系統(tǒng)的許多優(yōu)點。近些年來,國內(nèi)外很多科研機構與公司對MEMS加速度傳感器進行了大量的研究工作,取得了許多研究進展[1～4]。由于MEMS 傳感器具有功耗低、質(zhì)量輕、靈敏度高等優(yōu)勢,可在不影響被測物體的結(jié)構的條件下測出物體的特性,因此在電子、機械、化工等領域應用廣泛[5～7]。但由于技術和成本等多方面的原因,之前這些技術主要應用于工業(yè)、軍事、汽車制造、儀器儀表,及醫(yī)療等領域,未大量進入消費類產(chǎn)品市場。

目前高精度、低量程MEMS加速度傳感器產(chǎn)品已得到應用廣泛[8～10],但產(chǎn)品量程和部分性能仍然無法滿足故障診斷和安全工程領域的監(jiān)測需求,故在原MEMS加速度傳感器研究基礎上希望研究出一種高諧振頻率、高量程、小體積、性能穩(wěn)定的MEMS加速度傳感器,并推廣應用至軌道交通、風力發(fā)電等領域,為其安全運行提供技術保障,從而提高社會效益。

故障診斷與安全監(jiān)測通常應用在高速旋轉(zhuǎn)部件中,要求傳感器的振動量程不小于±100gn,靈敏度誤差不小于5 %,諧振頻率大于15 kHz。

針對上述要求,在前期研究的基礎上,提出了一種大量程、小體積、高帶寬的蝶翼式振動加速度傳感器。其采用四質(zhì)量塊全差分結(jié)構,相比傳統(tǒng)的單扭結(jié)構、結(jié)構更對稱,具有更高的檢測靈敏度；同時采用雙差分電容檢測,電容極板完全對稱,可以有效抑制環(huán)境噪聲,抗干擾能力強,環(huán)境適應性好。

本文介紹了蝶翼式振動加速度傳感器的設計與制造,包括敏感結(jié)構設計、振動加速計制造、性能測試等。

1 敏感結(jié)構設計

蝶翼式微加速度傳感器敏感結(jié)構如圖1(a)所示,主要包括敏感質(zhì)量塊、支撐梁、錨點、應力釋放結(jié)構等。蝶翼式微加速度傳感器工作原理如圖1(b)所示。

圖1 蝶翼式加速度計的敏感結(jié)構及其工作原理

當敏感結(jié)構受到面外加速度作用時,由于分布在支撐梁兩側(cè)的質(zhì)量塊質(zhì)量不相等而導致所受的慣性力不均衡,質(zhì)量塊會繞支撐梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。對于敏感質(zhì)量塊與檢測電極構成的檢測電容部分來說,檢測電極位置固定且大小不變。即電容極板相對的有效正對面積不變,但質(zhì)量塊扭轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生面外位移，則可以通過電容檢測電路檢測敏感結(jié)構與檢測電極之間由于位移變化引起的電容變化,可以進而得到與檢測電容呈正比關系的面外加速度的變化,從而實現(xiàn)加速度的檢測。通過COMSOL有限元仿真分析軟件得到該敏感結(jié)構的工作模態(tài)頻率為15.6 kHz,可滿足>15 kHz諧振頻率的要求。

2 敏感結(jié)構制造工藝

蝶翼式微加速度傳感器敏感結(jié)構的加工工藝分為硅敏感結(jié)構加工、電極結(jié)構加工、圓片級封裝等。主要工藝流程如圖2所示,具體包括：1)電極結(jié)構選用定制結(jié)構層厚度的絕緣體上硅(silicon-on-insulator,SOI)硅片；2)電極結(jié)構層進行第一次光刻,并刻蝕得到錨點結(jié)構；3)對電極結(jié)構層進行第二次光刻,得到電極圖形；4)敏感結(jié)構選用定制結(jié)構層厚度的SOI硅片；5)采“硅—硅”低應力鍵合技術,將敏感結(jié)構層與電極結(jié)構層進行鍵合；6)鍵合后,去除敏感結(jié)構SOI圓片的襯底層和氧化層,并光刻、刻蝕得到凹槽結(jié)構；7)對敏感結(jié)構進行二次光刻,并刻蝕得到振動結(jié)構；8)封裝蓋帽選用雙拋硅片；9)對蓋帽結(jié)構進行光刻,并刻蝕得到封裝腔體結(jié)構；10)將敏感結(jié)構和電極結(jié)構進行鍵合,完成結(jié)構封裝。

圖2 蝶翼式微加速度敏感結(jié)構主要工藝流程圖

最終得到的蝶翼式加速度傳感器敏感結(jié)構實物如圖3所示。

圖3 蝶翼式加速度計敏感結(jié)構實物圖

3 信號檢測與集成封裝

信號檢測主要包括兩路對稱的載波信號,循環(huán)伏安(cyclic voltammetry,CV)轉(zhuǎn)換電路、開關解調(diào)電路、濾波放大電路等,如圖4所示。

圖4 信號檢測原理框圖

信號檢測電路實物由兩塊電路板組成,敏感結(jié)構固定在電路板上,結(jié)構電極通過引線至電路板焊盤上,直接與CV轉(zhuǎn)換電路相連,電路板之間通過壓合連接。信號檢測電路制作完成后,需要將電路板裝入結(jié)構件進行集成封裝,從而增加傳感器的可靠性,同時便于后期的測試。

4 主要性能測試

為了驗證蝶翼式加速度計傳感器的性能,主要開展了以下測試：振動靈敏度測試、橫向振動靈敏度測試、諧振頻率測試等內(nèi)容。

振動靈敏度測試：將傳感器接入振動校準臺,在振動臺設置頻率為80 Hz,加速度為1gn條件下,測量傳感器振動靈敏度,要求靈敏度為40 mV/gn,誤差不大于5 %(即38～42 mV/gn),測試結(jié)果如表1所示。

表1 靈敏度表

橫向振動靈敏度測試：將傳感器橫向安裝于振動臺,并接入振動校準臺,在振動臺設置傳感器頻率為80 Hz，加速度為1gn條件下,測量傳感器振動靈敏度,調(diào)節(jié)安裝角度90°,重復上一步測試,要求橫向振動靈敏度比誤差不大于2 %,測試結(jié)果如表2所示。

表2 橫向振動靈敏度表

諧振頻率測試：將加速度傳感器安裝在沖擊測試臺上,輸出用具有存儲功能的示波器來捕捉。輸出的最大頻率就是其輸出阻尼固有頻率,用FFT捕捉諧振頻率,要求諧振頻率大于15 kHz,測試結(jié)果如表3所示。

表3 諧振頻率表

從上表可以看出,傳感器的諧振頻率均在15.8～16.3 kHz之間,滿足大于15 kHz的要求。

5 結(jié) 論

測試結(jié)果表明:通過合理的敏感結(jié)構設計、電路設計和加工工藝,可以制作滿足振動量程大于等于±100gn、靈敏度誤差小于等于5 %、諧振頻率大于15 kHz的蝶翼式振動加速度傳感器,本產(chǎn)品的成功研制為后期批量開發(fā)高量程、高諧振頻率的振動加速度傳感器提供了技術支撐。