MEMS高g加速度傳感器高過載能力的優化研究

石云波，李 平，朱正強，劉 俊，張曉明

(中北大學 電子測試技術重點實驗室，太原 030051)

MEMS高g值加速度計主要用于高速運動的載體在啟動和運行過程中速度變化的測量與控制，廣泛應用在航空航天領域以及導彈和智能化炮彈的精確控制上，因此，對該類傳感器以及由此構成的MEMS系統的研究具有重大意義。MEMS高g值加速度傳感器主要在沖擊、爆炸、侵徹等惡劣環境中應用，在這些環境中應用時，對高g加速度傳感器的抗過載能力有嚴格的要求，否則會導致傳感器結構損壞，測試得不到有效信號［1，2]。

美國ENDEVCO公司研制出了量程可達200 000 g的高過載壓阻式加速度傳感器7270A，頻響可達到200 kHz。我國在高g傳感器方面還是以壓電結構為主。北京大學微電子所研制的壓阻式高g值加速度傳感器，量程為50 000 g，對侵徹等環境下的超高過載需求仍未達到應用標準［3]。

本文根據設計的高g加速度傳感器抗過載能力不足，優化設計了一種新型的壓阻式高g加速度傳感器結構，通過在高過載測試中結構最易斷裂的懸臂梁根部和端部添加倒角的方法來提高加速度傳感器結構的牢靠性，進而提高加速度傳感器的抗高過載能力。Hopkinson桿沖擊測試方法對優化前后的加速度傳感器進行沖擊測試，測試結果表明，加速度計的抗高過載能力從180 000 g提高到240 000 g，說明該優化方法明顯提高了該類加速度傳感器結構的抗高過載能力。

1 傳感器結構

設計的壓阻式高g值加速度傳感器的整體結構如圖1所示。設計指標是:量程為150 000 g，抗過載能力為200 000 g，采用四端固支的梁－島微結構，梁的寬度和質量塊的長寬均一致，壓敏電阻對稱的布置在四根梁的端部［4]。

圖1 高g加速度傳感器的結構圖Fig.1 The stucture of high-g acceleration sensor

采用標準加工工藝加工設計的加速度傳感器，通過Hopkinson桿測試高g加速度傳感器的抗高過載性能，測試結果顯示，在200 000 g時加速度傳感器測試不到有效的沖擊信號，如圖2所示，經分析是傳感器結構已損壞，導致輸出電壓異常，成矩形波輸出，分析傳感器結構的照片，發現結構中一根梁的根部出現斷裂現象，如圖3所示。

圖2 傳感器輸出的異常信號圖Fig.2 Abnormal output signal of the sensor

2 抗過載能力的優化

2.1 優化方法

高g值加速度傳感器結構在沖擊測試中普遍存在的問題是沿梁的端部或根部易斷裂，設計的加速度傳感器在150 000 g作用下的應力分布如圖4所示。

從圖4中分析可得，當加速度傳感器受到高沖擊時，梁的根部和端部受到的應力最大，對結構中出現最大應力的部位作局部分析，懸臂梁上局部應力云圖如圖5所示，從圖中分析得到，最大應力分布在懸臂梁的根部與邊框相連處，且對稱分布在懸臂梁的上表面和下表面處。

表1 不同倒角大小的仿真數值表Tab.1 The simulational rezults on different chamfer size

圖3 傳感器的結構梁斷裂圖Fig.3 Fractured structure beam of the sensor

圖4 應力分布云圖Fig.4 The distribution of stress

圖5 懸臂梁上局部應力云圖Fig.5 The local stress distribution on the cantilever

經分析，結構梁的根部和端部最易損壞。為提高加速度傳感器的抗高過載能力，應優化結構受應力最大的部位，以減小結構受到的最大應力。

圖6 添加倒角結構示意圖Fig.6 The structure with a chamfer

針對以上問題本文提出了一種結構優化方案，即在質量塊、邊框和梁連接的直角處增加倒角，結構如圖6所示，改進結構在原結構的基礎上增加倒角，以分散梁的根部和端部受到的最大應力，避免了在梁的根部和端部處應力的集中。

2.2 倒角設計

利用ANSYS軟件仿真在150 000 g作用下，添加不同大小的倒角時傳感器結構的固有頻率和受到的最大應力，最終確定出倒角的大小。根據所設計的高g加速度傳感器的結構及性能要求，倒角結構尺寸設計時主要考慮范圍為30μm～50μm，且其大小逐個增加1μm，該設計是結合了實際結構加工工藝的最小分辨率為1μm。在不同大小的倒角下分別對傳感器結構進行靜態仿真、模態仿真，得到結構能承受的最大應力及其固有頻率，如表1所示。

從表1分析可知，在150 000 g的作用下，添加不同大小的倒角對傳感器結構受到的最大應力有較大的影響，當倒角大小為40μm時，結構受到的應力值最小。同時，傳感器結構的固有頻率幾乎不受倒角大小的影響。

設計的高g加速度傳感器是硅材料的結構，硅的斷裂強度參數決定了該高g加速度傳感器的最大量程。單晶硅的破壞強度大約為1 GPa，對于脆性材料，最大破壞強度采用的安全系數為30%，這樣硅實際可考慮的最大破壞強度為 330 MPa［5，6]。

因此，在滿量程150 000 g作用下，選取應力值最小的倒角，根據仿真結果最終確定倒角為邊長等于40 μm的等腰直角棱柱，此時，結構的最大應力為25 MPa，遠小于硅的最大破壞強度330 MPa，因此結構符合高g加速度傳感器的設計要求。

2.3 倒角特性分析

對優化后的高g加速度傳感器結構在工作方向加載150 000 g的慣性力，等效應力分布如圖7所示，最大等效應力由原結構的44.47 MPa 降低到改進結構的 25 MPa，表明在相同的應力作用下優化后加速度傳感器的高過載能力更強。

圖7 150 000 g作用下傳感器改進結構的應力云圖Fig.7 The stress of improved structure under the action of 150 000 g

在上述仿真結果中沿梁和質量塊交接的地方取路徑，兩種結構沿路經的應力分布如圖8所示，圖中圓圈處為結構倒角的位置，從圖8中可以清楚的看出添加倒角可以分散最大應力，使得應力沒有集中在梁的根部，而是緩慢的減小。

圖8 沿路徑方向的應力分布Fig.8 Stress distribution along the direction of the path

圖9 加速度傳感器的整體結構及倒角示意圖Fig.9 The overall structure of the accelerometer and the chamfer

改進后高g加速度傳感器的整體結構及倒角如圖9所示。

3 高過載能力測試

圖10 Hopkinson桿測試原理圖Fig.10 The schematic diagram of Hopkinson bar test

利用Hopkinson壓桿技術測試優化前后高g加速度傳感器的抗高過載能力，測試原理圖如圖10所示，將被測微加速度計芯片安裝Hopkinson桿的尾部，壓縮空氣發射一子彈，同軸撞擊Hopkinson桿的起始端，將會在Hopkinson桿中產生近似半正弦的壓應變脈沖，并沿Hopkinson桿縱向傳播。沖擊過程中的激光多普勒干涉信號經解算，可以得到沖擊速度曲線;將沖擊速度曲線微分，可以得到沖擊加速度曲線［7，8]。

由于所設計的高g加速度傳感器量程為150 000 g，需 要 利 用Hopkinson桿對其進行150 000g左右及以上的沖擊測試，從而得到其在高沖擊下的數據，多次測試進行抗過載能力分析，如圖11所示為一次測試下的多普勒干涉信號及傳感器輸出信號。

圖10 傳感器輸出信號與多普勒干涉信號Fig.10 Sensor output signal and Doppler signal

原結構與改進結構的測試結果如表2、表3所示。

表2 原結構的測試結果Tab.2 The test results of original structure

表3 改進結構的測試結果Tab.3 The test results of improved structure

對比分析表2、表3中測試結果，原結構在200 000 g時已測試不到正常的輸出信號，經檢測此時結構的懸臂梁已斷裂;對改進結構測試，在250 000 g時加速度傳感器結構才損壞，測試結果表明優化后的高g加速度傳感器抗過載能力由180 000 g提高到240 000 g，說明優化效果明顯，在懸臂梁的根部和端部添加合適的倒角提高了高g加速度傳感器的抗過載能力。改進的高g加速度傳感器能在更加惡劣的高沖擊、爆破等環境中應用。

4 結論

本文通過在結構梁的根部和端部添加倒角優化高g加速度傳感器的抗過載能力，經理論仿真及實驗測試表明，優化效果明顯、優化后高g加速度傳感器結構的抗過載能力更強，達到了240 000 g，表明優化的高g加速度傳感器能夠勝任高沖擊、侵徹等惡劣環境下加速度的測試。

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