微硅隧道加速度变送器的优化设计

　　1　引　　言

　　从二十世纪八十年代中期起,隧道原理应用于传感器,微电子机械系统(MEMS)技术的发展使传感器的微型化、集成化成为可能,目前美国等国家已开发和制成了微型加速度计[1～4]、红外探测器、磁强计等。

　　本文对采用表面硅加工技术的微硅隧道加速度变送器的结构进行了研究。

　　2　有限元分析

　　在微硅隧道加速度变送器结构的设计中,采用微机械弹簧—极板结构,隧道电极间隙由静电力控制。将结构的固有频率参数和静电力作用下的位移作为设计目标,重点考虑了与微机械表面加工工艺的兼容问题,即尽可能采用现有的成熟的加工工艺。

　　设计的变送器结构如图1所示,图中包括一对隧道电极和数对静电电极。隧道电极位于极板中央,静电电极呈对称分布。静电力大小取决于电压大小、极板面积、极板间隙和介质特性,公式如下:

　　其中:F:电极间静电力(N);ε:介电常数;ε0:真空介电常数(8.8546×10-12Fm-1);A:电极间有效对应面积(m2);V:电极间电压(V);d:电极间距(m)。在本结构中,根据加工工艺的要求,极板间隙的工艺参数为2μm。F=k(AV2),k=1.107。不同电极面积和电压下的静电力大小如表1所示。

　　根据分析,采用了有效电极面积400μm2,静电电压30V作为主要设计依据,其静电力为3.98×10-7N。

　　微硅隧道变送器运动部件结构如图2所示,该结构四端固支,中间为一块极板,与基座对应位置上的金属图形构成数对测量和控制电极,其中隧道电流电极位于极板的正中央,其余电极成对称分布。结构厚度为2μm,周围分布的微机械弹簧的宽度为4μm。

　　采用该结构作为有限元分析的原型,在Unix环境下使用Marc软件对其固有频率和在静电力下的变形量进行了有限元分析和仿真,通过改变微机械弹簧的宽度(实际上弹簧的等效长度也将同时发生变化)来实现不同的固有频率和刚性。

　　在有限元分析中,多晶硅的材料属性参照硅(100)设置为密度2330kg/m3,杨氏模量1.69×1011N/m2,泊松比定为0.3。实际上多晶硅由于制备工艺和工艺参数的不同,其材料属性常常表现为一个范围。静电力等效作用于极板中央。

　　有限元分析获得的结构机械特性参数为:一阶固有频率7.263kHz,二阶固有频率9.313kHz,三阶固有频率14.95kHz,其一阶振动垂直于桥面方向(如图3所示),二阶振动为围绕桥面长轴方向的转动,三阶振动为沿桥面短轴方向的振动。

　　同时还对桥面在静电力下的变形进行了分析。在3.98×10-7N中心集中载荷的情况下,桥面中心位置,即隧道电极处的位移为1.34μm。在该变送器结构中,静电控制电极的原始间隙为2μm,而隧道电极处的原始间隙为1μm,在进入隧道电流工作状态前,隧道电极的间隙必须减小至纳米级。因此该位移可以满足要求。在分析中,进行了简化计算。