一种基于强大结构设计的微机械差分谐振式加速度计

一种基于强大结构设计的微机械差分谐振式加速度计UsungParkb,JaewookRhimb,JongUpJeonc,JoonwonKima,(a.浦项科技大学机械工程学院，韩国浦项790-784;b.国防发展局，韩国大田305-152;c.蔚山大学机械工程学院，韩国蔚山680-749)摘要：本文描述了一个微机械加工的差动谐振加速度计（DRA）的设计，制造和测试，这种加速度计是最常见的实体检测质量加速度计；它利用了由于轴向受载荷的谐振梁的谐振频率的变化与加速度之间的相关性。该DRA的有效和简单的结构放大了从施加的加速度产生的感应惯性力，同时保持结构的稳定性和鲁棒性。用解析法和数值分析在适当的工作条件前提下对DRA的详细结构进行了优化。实验测得的188.5Hz/g的差分比例因子显示出与分析结果吻合良好。利用硅-绝缘体晶片提供的均匀的材料特性和结构层的厚度，传感器的偏置稳定性可达100μg，机械品质因素Q值0.37×106。2014年爱思唯尔B.V.版权所有。1.引言谐振加速度计是利用谐振器的谐振频率的变化来测量线性加速度的装置[1,2]。谐振式加速度计的主要优点是它的固有的数字化输出;它并不需要模数转换，而模数转换过程是错误的潜在来源。因为谐振式加速度计是一个开环系统，所以和具有伺服系统的闭环系统相比，它具有较低的功耗比。当没有动力时，加速度计检测质量仍然是始终受限的，使谐振式加速度计是坚固耐用，可以承受高层次的处理和储存震荡[3]。微机械加工使得传统的机电式的传感器小型化，包括谐振式加速度计。这种小型化确保了低成本，低功耗，小尺寸和高抗冲击性的优点。然而，尺寸的减小为获得良好的精度提出了挑战。在一般情况下，当尺寸减小时，比例因子SF减小，噪声增加，驱动力下降。虽然高精密加速度计已经开发出来了，但是大部分还没有经过战略和导航档次的全面评估。因此，基于微机械系统的谐振式加速度计已经被广泛的研究，来提高其精度，鉴于微机械谐振式加速度计的可行性和操作已经被成功的论证，设法提高比例因子SF应成为在这样的研究工作中的优先考虑方向[4]。提高SF可以通过两种基本方法：（1）放大检测质量的面积，以增加在给定的加速度下的惯性力；（2）将谐振梁变窄，做长，来增加在给定惯性力下的频率位移。另外，还有一种即使是有限大小的装置也能用来增加SF的方法，微杆被设计来扩增给定的加速度下的惯性力。微杠杆机构已经在许多设备[5-8]和系统的分析[9]中被采取。为了进一步提高SF，可以使用多级微杠杆机构[10]。然而，虽然微杠杆机构在以前的研究中有效地增大了惯性力，但是它们也增加了制造工艺的复杂性，并降低了设备的结构稳定性。因此，本报告提出了一种不包含复杂杠杆的微机械加工的差动谐振式加速度计（DRA），并且保持了其结构稳定性和坚固性。我们还利用解析法和数值分析对DRA的结构进行了在适当的操作条件下优化的。用来实现上述提出的加速度计的专门的制造工艺已经提出，这个过程考虑了对于大面积的高深宽比的结构，减少了交叉轴灵敏度，并提高了结构的稳定性、耐用性和SF因子。对于谐振特性，我们对所制造的加速度计进行了性能和噪声特性的测定，并使用数值模拟进行了分析。2.设计分析2.1器件配置所提出的加速度计配置有对称的一对部件，每部分由一个检测质量和一个附加的双端固定音叉（DETF）的振荡器，该谐振器被静电驱动以其谐振频率一直振动（图1）。当有加速度沿着输入轴输入时，检测质量将对振荡器施加力的左右，这导致在其谐振频率的变化。而频率的变化指示着所施加的加速度。我们的加速度计的一个显著特征是，检测质量被用作杠杆以放大惯性力，从而不需要额外的梁结构[4,5,7-11]，放大的轴向负荷由检测质量直接传送给谐振器[11]。图1所提出加速度计的示意图（水平和竖直尺寸单位为微米，〇：固定点）2.2解析法和数值模拟该谐振器存在着三种梁，其中的每一种梁都和加速度计的相应属性有关：谐振梁，底梁和韧带（图1）。振荡梁从根本上决定了在各向驱动模式下的谐振频率，它是根据受轴向载荷的梁[7]的横向刚度K的方程设计的[7]：K=24EIl3−12P5l;所以，谐振器的谐振频率ω可以表示为：ω=√Km=√24EIml3√1−l2P10EI=ω0√1−l2P10EI≌ω0(1+12l210EIP),故，可以得到标度因子SF如下：SF=△ω△a=ω0140l2MEIC=3√210√ρlA0Ew3Apc,（1）其中：l是在谐振梁的长度E为弹性杨氏模量P是轴向受压载荷（由检测质量施加到谐振梁上的）m=ρA0t是谐振器的质量t是该结构的厚度ω0=√24EIml3是谐振器的无载谐振频率M=ρApt为检测质量块的质量l=tw312是谐振梁的（面积）惯性矩ρ是该结构的密度A0是谐振器质量的有效面积Ap是检测质量的有效面积c是载荷的放大比w是谐振梁的宽度由（1）式可知，w主要决定SF的大小，梁的宽度越小则SF越大。因此选择能够以适当生产率来制造的梁的宽度，然后通过调整l的大小来可以获得希望得到的谐振频率。底梁和韧带负责传递力以及固定分别在基板上的结构。这些结构都是通过有限元分析方法设计，我们使用的是商业软件ANSYS的11.0版本。设计时考虑了三个主要的设计目标：增加SF，减外部加速度作用下谐振器的位移，并且扩大从一种驱动模式到另一种模式的频率差（图2）。增大SF增加了加速度计对输入加速度的灵敏度；减小振荡器的位移增加了DETF的振动振幅的均匀性。驱动模式和邻近模式之间的频率差应被设定得尽量宽来确保宽的动态范围和稳定的自激振荡。图2（a）输入加速度下的梳妆驱动器变形，（b）加速度计的第6阶模态振型，（c）第7阶模态振型，（d）第8阶模态振型（在多项驱动模式下）为了满足上述条件的同时减少平面外偏转，迭代模拟被用来设计检测质量和其他锚定的几何形状。3.制造提出了一种专门的制造工艺（图3），即考虑对于大面积的高深宽比结构的开发，以减少交叉轴灵敏度，并提高结构的稳定性、耐用性和SF。此外，该厚度的增加导致梳状驱动器中的重叠区域面积增加，这就意味着在同样振荡振幅下增加了电容的变化。图3加速度计的制造过程，（a）玻璃晶片，（b）刻蚀浅的凹槽，（c）金属化，（d）SOI晶片，（e）形成缺口，（f）粘接，（g）蚀刻SOI晶片的背面，并形成精细结构制造过程开始于一个4英寸的Pyrex＃7740晶片（500微米厚）（图3a-c），选择这种硅片是因为它的热膨胀系数与硅和硅-绝缘体（SOI）晶片（器件层=50微米，埋入氧化物层=1微米以及处理层=500微米厚）（图3d和e）相匹配。由于SOI晶片容易提高器件的层厚度，同时保持均匀的高度和机械性能，所以SOI晶片适合用于具有高的深宽比的厚硅微结构制造。此外，在该制造过程中粘合的SOI晶片确保了在硅结构下电极的图案化和在不同面内电气的互连[12,13]。如图3e所示，支撑柱（即检测质量）被放置于悬浮的硅层下，以在上述接合工序中减少其弯曲（图3f中所示），以及在第二次深反应离子蚀刻（DRIE）步骤中由于支撑柱被移除时造成的压力差所导致的破损（图3g）。在精确的硅结构（如梳状驱动器）下附加的金属屏蔽层显著地减少了在第二次深反应离子蚀刻（DRIE）步骤（图3g）中的缺口，并防止不期望区域的粘接现象[14]。另外，完成加工之后，金属屏蔽层将连接到接地电极上，因此，也可以用来实现电噪声的屏蔽。制造过程中提供在微米尺度的精确结构（图4）。图4（a）所制造加速度计的光学和SEM图像，（b）锚，（c）谐振器，（d）梳齿4.测试及结果用于所制造的DRA的自激振荡信号处理单元包括感测部件和驱动部件（图5）中。为了减小从驱动梳（即外固定梳）至感测梳（即内固定梳）的馈通噪声，输出到驱动梳的电压被设定为相同的大小而相反的极性，同时接地电极保护DRA和电路中所有的信号电极[15]。机械结构和电气装置上都十分完善地制造出的装置被选择用于进一步的测试。其共振频率和其它的谐振特性用一个HP动态信号分析仪35670A来进行研究，该仪器采用直流供电，其电路的测试部分如图5所示（图6a）。图5所提出加速度计的电子框图图6（a）开环测试的实验设置，（b）简单的翻转测试下的谐振频率变化谐振特性和共振频率的变化在一个简单的转鼓试验（图6b）中已经被确认的器件被安装在金属包中并进行密闭封装，以便在进一步的实验中使用（图6）。为了保持在真空腔中的压力级，将吸气剂材料沉积在所述包装体的盖的底表面上以吸收脱气材料。用一种频率计数器来测量SF，这个频率计数器包括一个基于速度表上的传感部分（图5）的自谐振和驱动部分的电路。驱动电压设置为10mV，其中偏置电压2.5V，输出信号的采样速率为10Hz。所有实验均在室温下的恒温室中进行（图7a和b）。图7（a）闭环测试时的实验设置，（b）带电路的加速度计安装在速率盘上根据差分频率偏移输出与所施加的加速度的函数（即线性趋势线）关系，标度因子SF约为188.3Hz/g（经调整的R2=0.99996）（图8a）或188.5Hz/g（经调整的R2=0.99997）（图8b）。188.5Hz/g的SF与有限元分析的结果（表1）之间的差异为6.6％。因为谐振梁的宽度是对谐振频率和SF影响最大的因素（如式（1）所示），所以造成这些所得结论值中的误差的原因可能是不精确的制造，尤其是在最后的DRIE步骤中（图3g）。本文所提出的设备被用来与先前研究的器件（表2）进行了比较。图8（a）谐振频率随输入加速度的变化表1测试结果及与分析结果的比较测试项目测试结果分析结果误差（%）左侧谐振频率(kHz)25.926.10.78右侧谐振频率(kHz)26.326.11.01标度因子（Hz/g）188.5176.16.58零偏特性（1h,μg）~100——Q因子（*106）~0.37——表2测试结果及与文献中的结果的比较参数T.A.Roessigetal.[4]Gibbons[5]Aikeleetal.[6]Michel[7]Suetal.[10]本实验结果标度因子（Hz/g）2.4470100160188谐振频率(kHz)17527400201326谐振梁宽度（μm）243723厚度（μm）212—505040Q因子7200010000060000100000—370000杠杆装置1X112—当没有输入加速度时输出信号的波动（噪声）被测量来分析所制造的DRA的偏置稳定性。噪声测试的测试装置类似于闭环测试的测试装置，但因为噪声测试是不需要的输入加速度的，所以该速度表是不转动的。偏压稳定性可以被定义为一个输出信号的直流成分的漂移，其特征是周期性地在指定的时间[16-18]里测量输出的标准偏差。零偏稳定性约为100μg每小时。5.结论在本文中，我们介绍了一种我们自主提议的加速度计的设计分析，随后我们再制造了这种加速度计。我们展示了采用该设备进行实验的结果。当驱动共振频率为26kHz时，所制造的加速度计显示出了188Hz/g的线性标度因子SF，这个结果与仿真分析的结果匹配良好。同时，还测得零偏稳定性为100μg，品质因子Q值为0.37*106。这些结果证明了DRA的高的结构稳定性和机械稳定性，以及它取代在高端应用中常规宏机电设备的潜在性。致谢这项研究由DAPA/ADD资金资助的国防格兰特MEMS研究中心所提供经济支持。参考文献：[1]N.Yazdi,F.Ayazi,K.Najafi,Proc.IEEE86(1998)1640–1659.[2]N.Barbour,G.Schmidt,IEEESens.J.1(2001)332–339.[3]A.Lawrence,Moderninertialtechnology:navigation,guidance,andcontrol,seconded.,Springer,NewYork,1998.[4]T.A.Roessig,R.T.Howe,A.P.Pisano,J.H.Smith,in:ProceedingsoftheTransducers’97,Chicago,IL,June,1997,pp.859–86