基于SOI技术梁膜结合高过载压阻式加速度计研究

　　加速度计作为惯性器件的一种, 在自控、车辆、振动测试和航空航天等领域中有着广泛的应用。压阻式加速度传感器的优点在于动态响应特性及输出线性较好, 频率范围宽, 测量加速度的范围也宽, 直接输出电压信号, 大批量生产时价格低廉, 可重复生产性好, 可直接测量连续的加速度和稳态加速度[ 1 ] 。

　　进入到90 年代, 单一方向的加速度测试已经不能满足各方面的需求, 在很多应用中需要检测加速度矢量。传统方法是将单轴的加速计组装成一个三轴加速度计, 这种方法降低了加速度计的机械精度和微小化程度[ 2] 。本文提出了一种单质量块三轴结构。在器件加工方面, 采用SOI 材料代替普通硅材料, 即以SiO2 介质隔离代替PN 结隔离, 减小了器件在高温下的漏电, 提高电路的可靠性[ 3-4] 。

　　1 结构设计

　　1. 1 结构选择

　　设计的基于SOI 的单质量块三轴压阻微加速度计采用四边四梁超对称结构( 如图1 所示) , 该结构很好地抑制了非受力方向引起的横向加速度的影响。质量块为结合工艺条件设计的正四棱台结构,通过硅玻静电键合使质量块下底面到玻璃底面的距离为5, 提供适当的阻尼以提高加速度计的瞬态响应特性。

　　1. 2 结构参数设计[ 5]

　　本结构在xoy 面内完全对称, 求解计算梁上受力时可将结构简化为一次静不定问题, 四梁简化为二梁结构, 根据材料力学知识可求得梁上任一点的应力为:

　　式中P 为结构所受惯性力(N) , 为梁上应力( Pa) , E 为杨氏模量取190( GPa) , M 为质量块质量( kg) 。根据加速度计设计性能指标及加工工艺条件, 最终确定该加速度计结构参数如表1 所示。

　　将表1 中结构参数代入式( 1) 、( 2) 中, 加速度计在Z 向10g 惯性力的作用下, 最大应力值为6. 77MPa, 一阶固有频率为5. 175 kHz。对量程10g 的加速度计而言, 基本符合设计要求。

　　2 仿真分析

　　2. 1 稳态分析

　　根据确定的参数利用AN SYS 软件进行建模。如图2 所示, 当结构受到Z 向10 g 的惯性力时, 所受的最大等效应力值为6. 96 MPa, 与理论计算值非常接近。图3 所示为梁上横向应力( SX ) 、纵向应力( SY ) 及等效应力( SEQ V ) 的应力分布情况, 压敏电阻放置在应力最大且线性变化的区域, 在距离梁根部或质量块20 Lm 处。

　　2. 2 模态分析

　　模态分析可以确定结构的振动特性, 包括结构的自然频率、振型和振型参与系数[ 7] 。利用模态仿真可以求出其固有频率和与之对应的振动形态[ 8] 。通过有限元分析软件ANSYS 对加速度计结构进行模态分析, 采用的提取模态的方法为Block Lanczos。模态分析的结果如表2 所示。