微加速度計設計實例.ppt

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1、 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement微加速度計設計微加速度計設計 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement1.量程:010g、0100g、01000g和010000g性能指標性能指標2.抗過載能力大于10000g 3.頻響范圍：1kHz 4.具有抗干擾能力 North University of China Key

2、Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement第一階段第一階段 知識儲備知識儲備 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement一、壓阻式微加速度計的工作原理一、壓阻式微加速度計的工作原理 以單晶硅為例，當壓力作用在單晶硅上時，硅晶體的電阻率發(fā)生顯著變化的效應稱為壓阻效應。 壓阻式微傳感器結(jié)構壓阻效應壓阻效應工作原理工作原理 North University of China Key Labo

3、ratory of Instrumentation Science & Dynamic MeasurementR1R2R3R4iioURRURRRRRRRRRRRRU434344212122RRtstRRt11st11壓敏電阻的相對變化量與應力的關系為在平衡情況下0434212ioURRRRRRU在加速度作用下惠斯通電橋連接itoUUt11所以有 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement二、硅材料的選擇二、硅材料的選擇室溫下，N型和P型硅電阻的11、12、4

4、4的數(shù)值如下。 11、12、44的數(shù)值 （10-11 m2/N）晶 體電阻類型111244SiPN+6.6-102.2-7.1+53.4+138.1-13.6 為了使所設計的傳感器具有較高的結(jié)構靈敏度（輸出靈敏度），可以選用N型（100）硅片，在硅片的、晶向上通過硼離子注入得到P型壓敏電阻。從而可以利用最大壓阻系數(shù)44。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement三、典型結(jié)構分析三、典型結(jié)構分析(a)單懸臂梁 (b)雙懸臂梁 (c)雙端梁(d)雙島五梁 (e)

5、雙端四梁 (f) 四邊梁結(jié)構 （g）八梁結(jié)構 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement (a)和(b)為懸臂梁式懸臂梁式結(jié)構，優(yōu)點是靈敏度高，但其一階固有頻率低，頻率響應范圍窄，且橫向靈敏度較大。 (c)(g)為固支梁固支梁結(jié)構 ，其一階固有頻率比懸臂梁式結(jié)構高一階固有頻率比懸臂梁式結(jié)構高得多得多，有利于擴大傳感器的頻率響應范圍。但在電橋中壓敏電阻數(shù)量相同的情況下，其靈敏度低于懸臂梁式結(jié)構其靈敏度低于懸臂梁式結(jié)構。 (g)圖所示的四邊八梁結(jié)構橫向靈敏度最低，

6、但其輸出靈敏度也最低。 綜合考慮，所要設計的傳感器采用 雙端四梁結(jié)構雙端四梁結(jié)構(e)(e)，該結(jié)構在保證一定的輸出靈敏度的基礎上能夠較好地解決橫向靈敏度的問題。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement四、設計約束四、設計約束材料屬性約束材料屬性約束硅的材料參數(shù) (m-N-kg)參數(shù)EXPRXY彎曲強度斷裂強度硅2.3310-151.91050.370-2107000 一般硅材料所能承受的最大應變?yōu)?，為了保證傳感器的輸出具有較好的線性度，懸臂梁根部所承受

7、的最大應變范圍為 。為了滿足這個范圍，梁根部的最大等效應力值不超過80MPa。31041044105 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement工藝條件約束工藝條件約束 邊界約束主要考慮加工工藝的影響，根據(jù)某加工單位的實際加工水平提出的約束條件如下： 2) 梁寬（b1）： b1=80m； 3) 梁長（L1） ： L1 =30m； 5) 質(zhì)量塊厚度（h2） h2頻響范圍的5倍），一階振型是否在敏感方向(z方向)內(nèi)振動。 North University of C

8、hina Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE 1 26908. 1 1 1 2 35464. 1 2 2 3 59671. 1 3 3 4 72029. 1 4 4 5 0.32776E+06 1 5 5 對0-100g結(jié)構進行模態(tài)分析，得到結(jié)構的前五階固有頻率及其前三階的振型如下所示。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Scienc

9、e & Dynamic Measurement 結(jié)構靜力學分析主要用來分析由于穩(wěn)態(tài)外載荷所引起的系統(tǒng)的位移、應力和應變，其中穩(wěn)態(tài)載荷主要包括外部施加的力和壓力、穩(wěn)態(tài)的慣性力如重力。 在該結(jié)構設計時，在結(jié)構上加載滿量程加速度值（如為0-100g量程的結(jié)構，在進行靜力學分析時加載100g的加速度），查看結(jié)果時，主要判斷梁上的最大等效應力值是否超過硅材料的彎曲強度(80MPa)。2.2.靜力學分析靜力學分析結(jié)構等效應力分布云圖 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measureme

10、nt3.3.路徑分析路徑分析 在靜態(tài)求解之后通過路徑分析來判斷梁上的應力是否線性分布，在得到梁上應力的線性分布區(qū)域之后，在應力值最大的線性區(qū)域放置壓敏電阻。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 應力的線性分布區(qū)域為距離梁根部和端部20um的范圍內(nèi)。為了最大限度地同時滿足傳感器靈敏度與線性度要求，選擇壓敏電阻的放置區(qū)域為距離梁根部和端部20um。在每個電阻得放置位置處選取三條路徑，分析電阻位置處的應力分布情況，求出電阻位置的平均橫向應力與縱向應力值。02

11、04060801000.50.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.0Average Stress /MPaPosition on R1 /umttRR144t1121 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement4. 4. 輸出靈敏度分析輸出靈敏度分析ititioUUURRU144t1121ooxxUUs 電橋的輸出電壓輸出靈敏度 aUso5.5.橫向輸出靈敏度分析橫向輸出靈敏度分析 分別在

12、x、y軸向加載100g的加速度，求解惠斯通電橋的輸出電壓，得到x、y方向的橫向靈敏度ooyyUUs North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement6. 6. 阻尼的分析與設計阻尼的分析與設計 在系統(tǒng)中添加粘滯流體，利用流體為結(jié)構提供阻尼力可以降低結(jié)構的振動幅值，避免結(jié)構因共振而損壞。 將梁-質(zhì)量塊結(jié)構等效為彈簧、阻尼器、質(zhì)量塊構成的二階單自由度振動系統(tǒng) ，如圖所示。經(jīng)分析，得ckm 加速度計等效模型 North University of China Key La

13、boratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 阻尼的設計可以通過靜電鍵合技術，在硅結(jié)構層的下面制作玻璃蓋板實現(xiàn)。由流體力學的雷諾方程可知，調(diào)節(jié)質(zhì)量塊玻璃蓋板間距可以調(diào)節(jié)阻尼參數(shù)。331dbabac5 , 3 , 1552tanh11921nabnnbaba其中 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement7.7.抗過載能力分析與設計抗過載能力分析與設計 硅結(jié)構層包括框架、質(zhì)量塊和四根梁 ；下層

14、為玻璃結(jié)構。靜電鍵合間距為5um。以量程為100g的結(jié)構為例進行抗過載性能的仿真與分析。 當作用在結(jié)構上的加速度載荷359611ag時，質(zhì)量塊在z方向上振動的最大位移量達到5um，起到了限位保護作用。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 微加速度計結(jié)構示意圖 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement第三階段第三階段

15、工藝設計與仿真工藝設計與仿真 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 加工復合量程微加速度計的整套工藝流程包括硅工藝流程、玻璃工藝流程和鍵合劃片工藝流程三部分。 一、硅工藝一、硅工藝1、備片：N型(100)硅片2、形成P-電阻區(qū)3、形成P+歐姆接觸區(qū) 4、第一次KOH背腔腐蝕365m，形成背腔5、第二次KOH背腔腐蝕5m，減薄質(zhì)量塊6、正面光刻引線孔7、正面濺射金屬鋁8、以鋁為掩模，正面ICP 30um，釋放結(jié)構9、正面光刻將鋁層圖形化做出導線 North

16、 University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurementa) 形成P-區(qū)b) 形成P+區(qū)c) 形成N+區(qū)d) 第一次背腔腐蝕e) 第二次背腔腐蝕f) 形成引線孔g) 鋁金屬引線、釋放結(jié)構P-SiO2P+N+Si3N4凹槽SiAl硅加工工藝流程 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic MeasurementB離子注入，形成P-區(qū) 濃硼摻雜，形成P+區(qū) 第一次背腔腐蝕365

17、微米 第二次背腔腐蝕5微米 正面ICP刻蝕釋放結(jié)構 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement二、玻璃工藝與靜電鍵合二、玻璃工藝與靜電鍵合 玻璃工藝所用的材料為Plan-optik Borofloat 33玻璃，厚度為525m。通過一次光刻在質(zhì)量塊正下方的玻璃上刻蝕出電極，在鍵合位置形成金屬指狀結(jié)構，使硅結(jié)構和玻璃結(jié)構等電位，以避免質(zhì)量塊在鍵合過程中被吸合。隨后將玻璃結(jié)構與硅結(jié)構通過靜電鍵合制作在一起，最終得到復合量程微加速度計。 傳感器結(jié)構簡圖 North

18、University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement三、版圖設計三、版圖設計復合量程微加速度計的整體結(jié)構 共九張版圖，分別為P-壓阻版、P+歐姆接觸版、N版、背腔版1、背腔版2、引線孔版、金屬引線版、正面穿通版、金屬電極版。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement1.P-1.P-壓阻版壓阻版 North University of China

19、Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement2. P+2. P+歐姆接觸版歐姆接觸版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement3. N+3. N+抗干擾版抗干擾版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement4. 4. 背腔背腔1 1版版 Nor

20、th University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement5.5.背腔背腔2 2版版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement6.6.引線孔版引線孔版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement7. Al7. A

21、l引線版引線版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement8.ICP8.ICP正面穿通版正面穿通版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement9.9.玻璃上金屬電極版玻璃上金屬電極版 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement第四階段第四階段 加工加工 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 經(jīng)XXX加工得到的微加速度計如圖所示。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement謝謝！謝謝！