复合量程微加速度计中阻尼的分析与设计

　　随着微机械加工工艺的不断发展, 人们对微加速度计的研究日益增多. 压阻式微加速度计因其结构简单、信号易于检测、工艺成熟等优点而备受关注[ 1-4] .然而, 目前所研制的压阻式微加速度计大多存在一个缺点: 动态特性欠佳, 更有甚者, 在第一次之后的测试中根本得不到所需数据. 经分析, 其原因在于: 当外加动态载荷存在与系统的固有频率相等或相近的频率分量时, 系统就会发生共振, 使得质量块-梁结构的运动幅度过大从而导致器件结构损坏[ 5] . 为了避免这一现象发生, 有两种解决办法: 一种是尽量提高器件的固有频率, 但是这种方法却以器件灵敏度的降低为代价; 另一种是在系统中添加粘滞流体, 利用流体为结构提供阻尼力从而降低结构的振动幅值[ 6-9] .

　　本文以复合量程微加速度计为研究对象, 针对其结构容易损坏的现象进行了阻尼设计--- 利用结构中的空气作为粘滞流体为各个传感器提供阻尼;此外, 本文根据Reynolds 方程推导了阻尼系数、阻尼比与质量块-玻璃盖板距离之间的关系. 综合考虑工程应用要求, 确定该复合量程微加速度计质量块与玻璃盖板之间的键合距离为2. 25 um.

　　1 复合量程微加速度计的结构设计及其损伤机理

　　1. 1 复合量程微加速度计的结构设计

　　本文所设计的复合量程压阻式微加速度计中各传感器均采用双端四梁结构. 即在四根梁上沿着梁长度方向分布八个压敏电阻构成惠斯通电桥, 如图1 所示.当结构受到敏感方向加速度作用时, 质量块上下振动,在四根梁上产生应变, 使得梁根部和端部有最大应力分布, 且根部和端部的应力值关于梁的中心位置近似对称相等. 在应力作用下八个压敏电阻阻值发生变化,近似有( 加工该结构采用N 型(100) 硅片)

　　其中, U0 为电桥输出电压, Ui 为传感器的输入电压. 所设计的复合量程微加速度计总体结构如图2 所示, 其中四个传感器的量程各不相同, 分别为100 gn、500 gn 、1 000 g n 和2 000 gn . 设计仿真时, 该复合量程微加速度计能承受20 000 gn 的动态冲击载荷作用.

　　1. 2 复合量程微加速度计的损伤机理分析

　　经北京大学微电子研究所加工的复合量程微加速度计如图3 和图4 所示. 其中, 图4 为1 000 gn量程的微加速度计照片.

　　为了测试该复合量程微加速度计是否能承受20 000 gn 的动态载荷, 对该传感器结构进行了马歇特捶击试验, 经过捶击试验的微加速度计用光学显微镜或拉曼光谱仪观察, 可以直接检测其是否被破坏. 试验发现, 当马歇特锤的冲击加速度载荷高于10 000 gn 时, 结构就会被破坏. 如图5 所示分别为四种量程的微加速度计在10 000 gn 冲击加速度载荷作用后梁发生断裂的照片.