基于微梁的面內高g值加速度計設計*

李 祥,石云波*,董勝飛,李 策,趙 赟

(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室,太原 030051;3.中北大學儀器與電子學院,太原 030051)

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基于微梁的面內高g值加速度計設計*

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.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室,太原 030051;3.中北大學儀器與電子學院,太原 030051)

提出了一種基于微梁的面內高g值加速度計的設計方案。根據材料力學中懸臂梁的相關理論,建立了微梁檢測結構的等效模型,推導出了微梁應力和中間主梁應力的比值的表達式。通過改變結構的尺寸來調節比值,可以設計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力及電阻區應力進行了仿真分析,驗證了設計方案的可行性。完成了一種量程可達15萬gn的面內雙軸高g值傳感器的設計。

面內加速度計;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外有很大的發展,被廣泛的應用在軍事工程、宇航工程、石化工業等領域的靜態與動態的測試系統中[1-3]。隨著三軸傳感器在軍事上各種彈丸侵徹硬目標以及大當量沖擊波場爆炸威力過程中的應用越來越受到全世界范圍內的重視,它對于戰略武器的發展具有舉足輕重的作用[4-6]。然而國內傳感器的低靈敏度一直是設計的難題。在設計傳感器的時候,加速度傳感器的量程與靈敏度是一對相矛盾的指標,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,要增加結構的靈敏度就要犧牲傳感器的量程。如何設計一種既有固支梁結構的高量程同時又具有懸臂梁結構的高靈敏度成為壓阻式加速度傳感器設計的一難題[7-9]。本文設計了一種基于微梁的面內高g加速度計。微梁的增加使傳感器能承受更大的加速度,同時微梁上的大應變能更靈敏的加速度計的參數。

1 新傳感器的介紹

本文設計了一種基于微梁的雙軸MEMS面內高g值傳感器。該傳感器可以實現對水平面內X和Y方向加速度的測量。傳感器結構包括硅基支撐框架和4個敏感結構,4個敏感結構是X-1敏感結構、X-2敏感結構、Y-1敏感結構、Y-2敏感結構,均勻分布在中心處錨塊四周;X-1敏感結構和X-2敏感結構在X軸方向上,Y-1敏感結構、Y-2敏感結構在Y軸方向上如圖1所示。任意一個敏感結構都包括一個質量塊和4個懸臂梁。以X-2敏感結構為例,4個懸臂梁分別是左側的獨立支撐梁和右側的中間主梁及兩個與中間主梁平行的微梁;兩個微梁內側分別設有壓敏電阻,如圖2所示。

圖1 結構示意圖

圖2 X-2敏感結構的結構示意圖

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

當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敏感結構和X-2敏感結構上的質量塊將在加速度方向上產生與加速度大小對應的位移,中間主梁、微梁與獨立支撐梁上應力發生變化,應力導致微梁上應變壓敏電阻發生參數變化,通過X-1敏感結構和X-2敏感結構微梁上的4個壓敏電阻構成的惠斯通全橋可以測得X方向加速度的情況。同理,當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構,下面將主要介紹基于微梁的敏感結構的設計。

2 敏感結構的設計

壓阻效應為設計壓阻式傳感器提供了最基礎的設計理論。據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力有直接關系[10-11]。靈敏度

其中電阻的變化率

由以上可知,當敏感結構受到加速度作用時,其檢測梁上的電阻區域的應力越大,結構的靈敏度越高。這就將微梁作為檢測梁提供了理論基礎。通過分析梁的應力可以找到設計更優傳感器的方案。根據微梁的設想,設計了一種敏感結構,如圖3所示。敏感結構包括一個質量塊和4個懸臂梁,質量塊一側與一個獨立支撐梁固連,另一側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。因為獨立支撐梁在結構中起到支撐質量塊,增加結構的剛度和固有頻率的作用,所以在本文中并不分析獨立支撐梁的受力情況。根據材料力學知識[12-13],慣性力對結構的作用視為集中力,質量塊視為剛體即質量塊在載荷作用下不發生形變。下面將從力學方面分析微梁和中間主梁的受力情況。

圖3 敏感結構示意圖

同理可得中間主梁

通過比值的表達式可以發現:微梁和中間主梁的最大應力的比值與微梁和中間主梁的寬度比值是正比例關系,與微梁和中間主梁的長度比值的二次冪是反比例關系。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構剛度,微梁和中間主梁的寬度不能很大改動。這就局限了在設計傳感器的時候通過調節微梁和中間主梁的寬度之比來達到設計的目的。而微梁的長度在保證電阻的正常設計下是可以進行調節的。縮短微梁長度,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計傳感器時的最佳選擇。同時,微梁使得結構受到的約束變得多了,增大了結構的剛度。

在設計傳感器的時候,我們只要保證微梁和中間主梁的最大應力比值大于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,本文設計的傳感器尺寸如表1所示。計算出微梁和中間主梁的最大應力的比值為

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,對敏感結構進行仿真驗證,如圖4所示,加載Y軸負方向150 000gn加速度。當受到Y方向150 000gn的加速度載荷時,梁上的應力分布如圖4所示,可以看見結構的最大的等效應力為56.6 MPa,最大位移為0.22 μm,小于硅的斷裂強度。

圖4 敏感結構應力分布圖

圖5 模態分析振型圖

模態分析可以用來分析結構的固有頻率和振型,以及預測結構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,會引起結構的共振,對結構的損害性較大[15]。利用ANSYS 12.0有限元軟件得到振型如圖5所示,結果表2所列。結構的敏感振動方向為Y方向,頻率高達371.37 kHz,能夠有效地避免共振的發生。從結果中還可以看出二階振動頻率比一階振動頻率大一倍多,這樣就能避免發生耦合振動的情況,使傳感器更加穩定[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構的優越性,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域上的應力大小。路徑的位置如圖6所示。路徑上的正應力信息如表3所示。

圖6 路徑位置圖

表3 路徑上最大應力值

從表中可知,路徑1和路徑2的最大正應力數值相等,方向相反;路徑1和路徑2的最大正應力值大約是路徑3的最大正應力值的1.633倍。這與理論計算的比值相差不大,說明結構模型正確。

圖7 路徑2的應力分布曲線

圖7是微梁結構應力表面沿路徑2的應力分布曲線,圖8是微梁結構應力表面沿路徑3的應力分布曲線。其中,SX為結構在該路徑上所受X向應力,SY為結構在該路徑上所受Y向應力,同時在圖中也標出了可以用于電阻的位置。兩圖對比可以發現路徑2,也就是微梁上電阻區域的最大正應力是路徑3中間主梁上電阻區域的最大正應力的兩倍。這說明微梁作為檢測結構的實用性更大,能得到更高的靈敏度,為設計更優的傳感器提供了思路。

圖8 路徑3的應力分布曲線

4 總結

本文通過材料力學的相關知識發現微梁上最大應力和中間主梁最大應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力比中間主梁受到的應力大,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,發現微梁上的正應力和中間主梁上的正應力比值與理論計算比值非常接近,驗證了微梁設計理論,并且利用微梁敏感結構,合理的設計了一種雙軸面內高g傳感器。這為設計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傳感器設計、測試等方面研究,lixiang_0893@163.com;

石云波(1972-),男,中北大學副教授,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科研項目,獲得山西省技術發明一等獎1項、高等學校科學技術一等獎2項、國內發明專利4項、發表論文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

項目來源:“十二五”總裝備部預研項目

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