π 形梁厚膜壓阻式加速度傳感器研究與設(shè)計(jì)＊

楊 熹，任忠原，馬長(zhǎng)寶，姚子龍

(華天傳感器有限公司，甘肅 天水 741000)

0 引言

加速度傳感器作為一種慣性器件在汽車、電子、機(jī)械領(lǐng)域的振動(dòng)和沖擊測(cè)量，輪船、飛機(jī)和航天器的導(dǎo)航，以及石油探測(cè)和地震預(yù)報(bào)的振動(dòng)測(cè)試等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.利用厚膜工藝加工制作的加速度傳感器具有成本低、體積小、重量輕、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，因而具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景.目前，厚膜加速度傳感器具有線性度好、易于小型化、頻響特性好、直接輸出電壓信號(hào)、接口電路簡(jiǎn)單、加工工藝簡(jiǎn)單、與厚膜工藝兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，正在被用戶認(rèn)識(shí)和接受.

壓阻式加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)形式有很多種，如懸臂梁、雙臂梁、四梁等.懸臂梁結(jié)構(gòu)具有靈敏度高、體積小、易加工等優(yōu)點(diǎn)，本課題采用π 型懸臂梁結(jié)構(gòu)制作厚膜加速度傳感器.

1 傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

壓阻式厚膜加速度傳感器是基于厚膜電阻的壓阻效應(yīng).當(dāng)有加速度作用于質(zhì)量塊時(shí)，由于慣性力作用使得質(zhì)量塊發(fā)生位移，從而引起梁發(fā)生變形，梁的變形引起梁上應(yīng)力的變化，進(jìn)而引起電阻的改變，因而通過(guò)測(cè)量由梁上電阻組成的惠斯通電橋的輸出便可測(cè)出加速度值的大小.

Vin為電橋激勵(lì)電壓，一般情況下4 個(gè)厚膜電阻的初始值相等，即R1=R3=R2=R4，此時(shí)電橋平衡，輸出電壓V0為零.若將4 個(gè)電阻在π 形梁兩端布置，當(dāng)梁受到外界壓力作用時(shí)，一對(duì)電阻受拉而另一對(duì)電阻受壓，例如R1，R3受拉而R2，R4受壓時(shí)，ε1，ε3為正，ε2，ε4為負(fù)，此時(shí)電橋失去平衡，ε1－ε2+ε3－ε4的絕對(duì)值達(dá)到最大，從而得到盡量大的輸出電壓［1］.

本設(shè)計(jì)選擇在1 mm 厚的陶瓷梁上印刷制作釕酸鹽電阻構(gòu)成惠斯通電橋，電阻值設(shè)計(jì)為10 kΩ.

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓阻式加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)形式有很多種，已有懸臂梁、雙臂梁、四梁等，彈性元件的結(jié)構(gòu)形式及尺寸決定傳感器的靈敏度、頻響、量程等.壓阻式加速度傳感器的彈性元件采用陶瓷梁外加質(zhì)量塊，質(zhì)量塊由懸臂梁支撐，并在懸臂梁上制作電阻，連接成測(cè)量電橋，在慣性力作用下質(zhì)量塊上下運(yùn)動(dòng)，懸臂梁上電阻的阻值隨應(yīng)力的作用發(fā)生變化，引起測(cè)量電橋輸出電壓變化，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的測(cè)量.質(zhì)量塊能夠在較小的加速度作用下使得懸臂梁上的應(yīng)力較大，提高傳感器的輸出靈敏度.在大加速度下，質(zhì)量塊的作用可能會(huì)使懸臂梁上的應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力，變形過(guò)大，致使懸臂梁斷裂.為此，高g 值加速度擬采用質(zhì)量塊和梁寬相等的單臂梁結(jié)構(gòu)形式［2］.

如圖1(a)所示，所研制的加速度傳感器是一端固支的π 形懸臂梁結(jié)構(gòu)，梁表面為惠斯通電橋，如圖1(b)所示.

圖1 加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

本設(shè)計(jì)中采用如下參數(shù):梁長(zhǎng)f=9 mm，梁寬bl=6 mm，梁厚h1=0.2 mm，質(zhì)量塊邊長(zhǎng)A=6 mm，質(zhì)量塊厚H=1 mm.因而由式(1)知，在電壓源采用12 V 供電時(shí)，電阻靈敏度系數(shù)取3，則加速度傳感器輸出電壓為V0=0.002 4 mV·s2/m.

2 加速度傳感器的制造工藝

2.1 制造工藝流程圖

制造工藝流程圖如圖2 所示.

圖2 制造工藝流程圖

2.2 制造工藝

在厚膜加速度傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)中，為了獲得最理想的外形尺寸和物理性能，本文所介紹的傳感器結(jié)構(gòu)采用含氧化鋁96%的陶瓷基片.傳感器的制造工藝包括制版、印刷、燒結(jié)、梁加工成型、激光調(diào)阻、裝配、鍵合等工藝.成膜在850 ℃燒結(jié)溫度下完成，使用的成膜工藝為厚膜混合集成電路常用工藝.電阻及導(dǎo)帶上印刷燒結(jié)玻璃絕緣層，以增加成膜的穩(wěn)定性.傳感器能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，完全依賴于應(yīng)變電阻在基片上的正確位置.因此，要想將誤差控制到最低值并確保電阻和應(yīng)變靈敏度系數(shù)值具有良好的重復(fù)性，在絲網(wǎng)印刷工藝中就必須用精準(zhǔn)的設(shè)備及訓(xùn)練有素的員工來(lái)保證［3］.

π 形梁用陶瓷基片采用激光劃片成型，達(dá)到設(shè)計(jì)的尺寸.

梁表面惠斯通電橋的制作，采用銀鈀漿料印刷導(dǎo)帶，10 kΩ/□(□為方塊電阻)的RuO2電阻漿料印刷電阻，厚膜燒結(jié)工藝燒結(jié)成膜，形成測(cè)量電橋.

π 形梁的加工成型采用2 種工藝制作:1)采用激光刻蝕陶瓷基片形成π 形槽;2)采用金剛石砂輪在高精密磨床上精磨形成π 形槽.梁的寬度為3 mm，厚度為1 mm，π 形部分經(jīng)加工控制在0.2 mm.

π 形陶瓷梁采用低溫玻璃燒結(jié)在基座上.

加速度傳感器采用甲基硅油阻尼，淺腔式外殼異型封帽機(jī)氣密性封裝.封裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.

利用自有衰減法測(cè)量得到器件的阻尼比為0.078.器件的阻尼比是材料、結(jié)構(gòu)和甲基硅油的阻尼比之和，由于甲基硅油的阻尼比較大，π 形梁質(zhì)量在甲基硅油環(huán)境中受到?jīng)_擊會(huì)形成阻尼振動(dòng).π 形梁的振動(dòng)會(huì)因阻尼衰減而盡快達(dá)到平衡，利于加速度的更準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)測(cè)量.

圖3 厚膜加速度傳感器封裝結(jié)構(gòu)示意圖

3 加速度傳感器的測(cè)試

3.1 諧振頻率理論計(jì)算

諧振頻率的計(jì)算公式為

其中:E 為材料的彈性模量;I 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ρ 為密度;S為梁的橫截面積;L 為梁的長(zhǎng)度.代入數(shù)值計(jì)算得到，懸臂梁的諧振頻率f 理論值為:1.36 kHz.

3.2 參數(shù)測(cè)試

高g 值厚膜加速度傳感器的靈敏度較低，在小加速度下輸出電壓信號(hào)很小，只有進(jìn)行沖擊試驗(yàn)才能檢驗(yàn)其性能.常溫下加速度傳感器的動(dòng)態(tài)特性使用高加速?zèng)_擊臺(tái)來(lái)測(cè)量，將標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被標(biāo)定傳感器同時(shí)固定在馬希特?fù)翦N的錘頭上，對(duì)加速度傳感器樣品在不同的齒數(shù)下進(jìn)行沖擊測(cè)試［4］.

在測(cè)試時(shí)采用12 V 供電，測(cè)得加速度與輸出電壓關(guān)系如圖4 所示.加速度傳感器沖擊測(cè)試范圍為0～15 000 m/s2，具體見(jiàn)表1.過(guò)載試驗(yàn)可達(dá)到30 000 m/s2而不失效.同時(shí)，采用可觸發(fā)存儲(chǔ)示波器記錄在加速度傳感器沖擊瞬間到第1 個(gè)波形結(jié)束時(shí)間的完整輸出波形，在存儲(chǔ)示波器上測(cè)量第1 個(gè)輸出波形的周期，得到其響應(yīng)頻率為1.29 kHz.

圖4 加速度傳感器輸出電壓與加速度的關(guān)系曲線

表1 0～15 000 m/s2 加速度傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果 mV

從測(cè)試結(jié)果可以看出，本厚膜壓阻式加速度傳感器在整個(gè)量程范圍內(nèi)具有良好的線性度;理論計(jì)算出諧振頻率與實(shí)際測(cè)量頻率接近.

4 結(jié)論

介紹了一種新型的基于陶瓷基片加工工藝的π 形梁15 000 m/s2厚膜壓阻式加速度傳感器.在加工過(guò)程中采用厚膜工藝與梁加工成型工藝，從而保證了梁結(jié)構(gòu)的完整性.分析了該傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和靈敏度，同時(shí)介紹了它的工藝流程，以及封裝后的測(cè)試結(jié)果.基片尺寸為15 mm ×6 mm ×1 mm，其中敏感質(zhì)量塊尺寸為6 m×6 mm×1 mm，梁尺寸為3 mm×6 mm×0.3 mm.經(jīng)初步測(cè)試，在采用12 V 電源供電時(shí)靈敏度為0.002 4 mVs2/m 左右，響應(yīng)頻率為1.29 kHz.該加速度傳感器以其耐用性和低廉的價(jià)格為電力機(jī)車高壓線路檢測(cè)和工業(yè)測(cè)量提供了更為廣泛的應(yīng)用.

［1］易選強(qiáng)，苑偉政，馬炳和，等.壓阻式微型壓力傳感器敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，26(6):782-786.

［2］張建碧.基于MEMS 的硅微壓阻式加速度傳感器設(shè)計(jì)［J］.電子與封裝，2009，9(10):39-41.

［3］Crescini D，于梅.用于力和振動(dòng)測(cè)量的壓阻式厚膜傳感器［J］.現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試，1996(1):61-63.

［4］高廷金，熊斌.新型L 形梁壓阻微加速度傳感器［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2009，34(12):1177-1180.