高过载加速度敏感芯片的结构与特性

杨宇新，揣荣岩，李 新，张 冰，张 贺

(沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110870)

0 引言

压阻式加速度计广泛应用于汽车电子、航空工业、生物医学等领域[1]。在探矿、地震监测等极端应用环境中，加速度的测量需要在高过载条件下完成，如油井钻探的过程中，为了确定井身轨迹，需测量重力加速度分量从而测出近钻头处的井斜角，而当钻头钻探到复杂断块区域时，传感器所感受的振动载荷可能达到几十g(g=9.8 m/s2)甚至更高，这对它的过载能力有着很高要求。过载能力，是保证传感器在感受量程范围以外冲击而不发生损坏的关键参数。许多商用加速度传感器的过载能力一般为量程的2～5倍[2]，难以满足高过载环境中的测量需求。因此，有必要对高过载加速度传感器进行深入研究。加速度传感器的设计需要考虑各种设计指标，如谐振频率、灵敏度、抗冲击能力和交叉耦合等[3]。常见的压阻式加速度传感器通常采用“悬臂梁-质量块”结构，如L. M. Roylance和J. B. Angell提出的悬臂梁压阻式加速度计[4]，该结构优点主要是制造工艺简单，灵敏度高[5-6]；但是在这样的结构中，灵敏度和固有频率是一对相互制约的因素[7-8]，且结构自身的过载能力不高，限制了传感器性能的进一步提高。为此，本文设计了一种带有微梁的加速度敏感结构，可以在保证灵敏度的前提下，缓解固有频率与灵敏度之间的矛盾，并显著提高结构的过载能力。

1 高过载加速度敏感结构

设计的加速度敏感芯片主要由质量块、敏感微梁、主梁和硅基框架构成，采用单晶硅材料制造，如图1所示，Z轴(垂直于X-Y平面方向)为其敏感方向。其质量块的左右两侧分别设置有一根主梁，一端与质量块相连，另一端与硅基框架相连，两根主梁在X-Y平面内中心对称，下表面与质量块的底面位于同一平面内；在Y轴方向上，质量块的两端分别通过一根敏感微梁与硅基框架相连，微梁结构如图2所示，其连接在质量块的上表面处，在每个微梁上形成两块沿Y轴方向的应变电阻，并连接成惠斯通差动全桥，构成加速度测量电路。

图1 加速度敏感结构示意图

图2 微梁结构示意图

结构中主梁的横截面积远大于微梁，导致主梁的劲度系数要远大于微梁，在结构上施加沿Z轴方向的加速度时，由于主梁对质量块有很强的束缚作用，质量块只能产生很微小的位移，从而结构具有较高的固有频率；而微梁的横截面积较小且长度较短，质量块受到加速度影响时所产生的微小位移就会引起微梁相对显著的形变，从而在微梁上产生较大的应变，使两端的应变电阻分别受到张应力和压应力，这就保证了传感器的灵敏度性能。

当结构的敏感方向受到加速度作用时，虽然在微梁上可产生较大的应变，但由于微梁尺寸较小(特别是厚度较薄)，基于硅材料断裂强度的尺寸效应[9]，微梁会具有较高的断裂强度，从而不易发生损坏；而主梁尺寸虽较大，其断裂强度相比微梁要低，但在加速度的影响下质量块发生的位移很小，这使得主梁上的应力很小，主梁同样也不易发生断裂，因此，该敏感结构自身具有较高的过载能力。这样通过合理调整主梁、微梁和质量块的尺寸，即可在保证灵敏度的前提下，得到具有高固有频率和高过载能力的加速度敏感结构。

2 敏感结构设计

传感器在满量程时，单晶硅应变电阻上的应变越大，灵敏度越高；而为保证传感器在满量程范围内的线性响应和过载能力，应变电阻上的最大应变应设计的较小为宜，综合考虑后本文选取3×10-4为满量程时最大应变的设计指标。影响上述敏感结构性能的参数主要有质量块、主梁以及微梁的长度、宽度和厚度。结构中主梁的劲度系数要远大于微梁，即主梁的横截面积要远大于微梁，这就要求主梁厚度不能太薄，太薄则其劲度系数会与微梁差距较小，难以发挥主梁的作用；但主梁厚度如果过厚，满量程时若想要在微梁上达到相同的应变，则需要较大的质量块，芯片整体尺寸也会随之增大；本文将主梁厚度折中选取为30 μm。

对于微梁而言，其横截面积越小越好，那么应尽量减小微梁厚度和宽度，但微梁厚度如果选取得过薄，使得电阻层达到了微梁中性面以下，这样中性面上下的电阻区域将一部分产生压应力，一部分产生张应力，引起的电阻变化会相互抵消，导致灵敏度降低。本文将应变电阻厚度设计为0.2 μm，电阻阻值设计为2 000 Ω，铝线最小宽度设计为2 μm，拟采用1 mA恒流源供电，根据硅薄膜单位面积的最大允许功耗[10]以及微梁上电阻和铝线的分布要求，将微梁的最小宽度设计为24 μm。以量程为1g的加速度敏感结构为例，基于有限元仿真分析对上述敏感结构的其他参数进行设计。

首先选定主体结构厚度，即质量块厚度，基于深硅刻蚀工艺能力，将主体结构厚度设置为400 μm，并在适当范围内选取一个微梁厚度初值，如1 μm。对传感器敏感方向施加1g加速度时，在一定范围内改变微梁长度，通过调整主梁的长度和宽度以及质量块的长度和宽度，找出每个微梁长度下使得微梁两端应变在3×10-4左右时对应的结构参数，并同时仿真出该参数下结构的固有频率，从而得到应变值与固有频率的乘积值M，将其中最大值记为Mmax，Mmax所对应的结构参数即为该微梁厚度情况下的最优结构参数。然后改变微梁厚度，利用同样的方法可以得到每一个微梁厚度下不同微梁长度所对应的M值，如图3所示，同时也得到了不同微梁厚度所对应的Mmax值。

图3 不同微梁厚度的情况下，各微梁长度所对应的M值

经过上述对微梁、主梁以及质量块尺寸的设计过程，便可以得到各组性能不同的芯片结构参数。基于图3的仿真分析结果，对于所设计量程为1g的加速度敏感结构，选取的微梁厚度为1.2 μm，其他结构尺寸参数如表1所示。该尺寸参数下，满量程1g时沿应变电阻层中线的应变分布如图4所示，结构固有频率约为1 165.67 Hz，M值可达34.97。通过计算可得，在1 mA恒流源供电条件下，传感器的满量程输出约为40 mV。

表1 敏感结构的尺寸参数 μm

图4 满量程时沿应变电阻层中线的应变分布

3 敏感结构过载能力的仿真分析

芯片的过载能力取决于芯片结构上的应力分布和材料的断裂强度。对于上述加速度敏感结构，当主梁或敏感微梁上的最大应力超过单晶硅的断裂强度时，就会发生断裂，导致传感器失效。单晶硅材料的断裂强度具有尺寸效应[9]，即材料的断裂强度随试件几何尺寸变化而变化的现象，所以不同尺寸的梁会表现出不同的断裂强度，这将对敏感结构的最大过载能力产生很大影响。因此分析敏感结构的过载能力，首先需要给出结构尺寸与断裂强度的关系。

上述加速度敏感结构中的单晶硅主梁和微梁，它们的长度和宽度均远大于其厚度，所以其断裂强度主要受梁厚度的影响。参照文献[9]和文献[11]的实验结果，得到厚度分别为0.255 μm、1.91 μm、17 μm和520 μm单晶硅梁的断裂强度值，结果如表2所示。

表2 不同厚度单晶硅梁的断裂强度值

分析表2数据，对其进行函数拟合，求得单晶硅材料的断裂强度随厚度的增加成指数规律衰减，关系式为

y=a·e-bx+c

(1)

求得a=9.638 19，b=0.034 87，c=0.47，并绘制出单晶硅材料断裂强度与厚度之间关系曲线如图5所示。根据图5所示的单晶硅材料断裂强度与厚度之间的关系曲线，即式(1)，可以得出不同厚度单晶硅梁的断裂强度值。

图5 单晶硅材料断裂强度与厚度之间的关系

对于所设计量程为1g的加速度敏感结构，当主梁或者微梁上的最大应力达到所对应厚度的断裂强度时，此时在敏感结构上施加的加速度载荷即为该尺寸下传感器的最大过载能力。通过仿真分析得出，当在其上加载79g加速度载荷时，主梁上最大应力约为30 MPa，远小于体硅的断裂强度值470 MPa；而微梁上最大应力约为9.71 GPa，根据图5可知，这达到了1.2 μm厚度所对应的断裂强度值，则其过载能力约为79g。该加速度传感器若采用超薄纳米膜作为应变电阻，如文献[12]中所提到的多晶硅纳米薄膜，则所选取的微梁厚度可以进一步减小，当微梁厚度选取为0.3 μm时，仿真得出其过载能力约为100g，达到满量程的100倍左右。

4 讨论

交叉耦合系数是加速度传感器的一项重要性能指标，一般要求不超过5%[13]。上述加速度敏感结构中，在X-Y平面内，两根主梁采用中心对称的形式设置在质量块的左右两侧，当有加速度作用在结构的X轴方向时，主梁的这种分布方式可以较大程度的限制质量块在X轴方向的位移，降低该方向的交叉耦合。根据图1所示，微梁与质量块的上表面处相连接，主梁与质量块的下表面处相连接，这种方式限制了Y轴方向加速度对质量块的位移及扭转作用，从而使Y轴方向的交叉耦合得到显著降低。

通过仿真得到，当在敏感结构的X轴和Y轴方向分别施加1g加速度时，微梁上应变电阻层中间的最大应变分别约为4×10-6和4.4×10-6，而在敏感Z轴方向施加满量程1g加速度时，如图4所示，电阻层中间的最大应变可达到300×10-6左右，计算可得所设计敏感结构的交叉耦合系数约为1.5%。

由图3的曲线可以看出，对于量程为1g的加速度传感器，在优化微梁厚度和长度的过程中，对于每一个微梁厚度，都存在一个最佳微梁长度，使其M值达到最大；如微梁厚度选取为1 μm时，此时最佳微梁长度为32 μm，M值达到35.42，明显优于该微梁厚度下其他长度所对应的M值。由图3的仿真结果还可以看到，当微梁厚度从0.8 μm逐渐增加到1.6 μm时，最佳微梁长度所对应的Mmax值由35.57减少为34.24，可见随着微梁厚度的增加，传感器的性能会略微下降，但由于微梁上需要制作应变电阻及工艺能力的限制，微梁厚度与长度也不宜过薄和过短。

对于普通的“悬臂梁-质量块”加速度敏感结构，若将满量程1g时悬臂梁上的最大应变设计为3×10-4，通过仿真可得其固有频率仅可达到32.4 Hz左右，结构自身的过载能力约为满量程的9倍(仿真时根据图5选取断裂强度值为4.7×108Pa)。而本文所设计量程为1g的加速度敏感结构，其固有频率可达1 165.67 Hz，过载能力达到满量程的79倍，比普通的“悬臂梁-质量块”加速度敏感结构提高了8.8倍，并可通过合理调节微梁和主梁尺寸使过载能力得到进一步提高，这在保证灵敏度的同时，显著提高了加速度敏感结构的固有频率和过载能力。

5 结论

通过有限元法对带有微梁的加速度敏感结构进行了仿真分析，结果表明，微梁的引入，可以在保证传感器灵敏度的同时，显著提高芯片的固有频率和过载能力。

所设计量程为1g的加速度敏感芯片，在1 mA恒流源供电条件下，其满量程输出约为40 mV，固有频率约1 165.67 Hz，交叉耦合系数约为1.5%，过载能力可达到量程的79倍。