压阻掺杂浓度对高gn加速度计动态性能影响

0　引　言

高gn加速度计广泛应用于撞击、爆炸、冲击等各种苛刻场合[1~3]。这要求加速度计不容易破坏,且性能稳定。目前,有效过载保护、较高稳定性和无应力封装已成为MEMS加速度计研制中的难点[4]。过载保护问题,可采用特殊的结构予以解决;对于临界阻尼设计、稳定性和无应力封装等问题,特别是器件稳定性问题贯穿于器件设计、制作及其封装整个过程,已经引起了广泛的关注,已成为器件设计及其成败的关键[5~9]。

对结构固定的压阻式MEMS高量程加速度计而言,压阻掺杂浓度不稳定是影响器件性能稳定性的一个重要因素。普通的掺杂工艺难以保证器件掺杂浓度一致性,导致压阻灵敏度系数不一致;此外,压阻灵敏度系数对温度也很敏感,因而,温度也成为压阻灵敏度系数一个重要影响因素。本文通过有限元方法,针对一种新型具有曲面过载保护悬臂梁结构压阻式高量程加速度计的封装结构进行了动态响应分析,得到了器件工作环境温度和压阻掺杂浓度与器件动态响应之间的定量关系。

1　有限元模型基础

图1给出曲面过载保护高量程加速度计结构示意图,在悬臂梁的侧面硼扩散形成力敏电阻;采用先背面KOH深腐蚀一定深度后,再用深反应离子刻蚀出悬臂梁和过载保护曲面。

　　该器件采用双悬臂梁结构,两悬臂梁平行反向对称安置,每一悬臂梁根部两侧分别有一压阻应变计,将4只压阻应变计依次连接构成一个惠斯登全桥。芯片与玻璃衬底键合并盖上硅盖板后采用环氧树脂一并固定于可伐管壳底部。盖上管壳盖板即可。本文采用有限元动态冲击模拟,模拟中采用Solid164元素单元。将一个峰值为105gn、历时50μs的半正弦脉冲加速度加载于管壳的左侧,加速度方向为器件敏感方向(X正方向)。在管壳底面法线方向( Z方向)上施加位移约束(Uz=0)。

　　在有限元模拟中,以压阻应变计的中心节点的轴向应力σx,σy作为其平均轴向应力,且假设在一定外界工作温度下,器件压阻应变计的阻值相等(均为R)。但在外界载荷情况下,每只应变计的阻值变化ΔR可能不相等。对于应变计R1

2　件动态响应压阻掺杂浓度效应分析

由公式(4)可知,压阻掺杂浓度对器件动态冲击性能有着重要的影响,同时,压阻灵敏度系数还与温度有关。然而,要分析器件压阻掺杂浓度对器件动态输出性能影响,与压阻工作温度相关的阻尼将是不可忽略的考虑要素。

2.1　阻尼模型

如图1所示,在器件实际制作过程中,曲面不可能与悬臂梁绕度方程重合,而是将其沿Y轴平移得到,设其平移距离为P,则该悬臂梁上任意一点到对应保护曲面的距离为