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SOI压阻式面内加速度传感器的交叉灵敏度
作者:澳门皇冠    来源:皇冠体育    2019-12-21 02:15

  摘要:设计了一种基于绝缘衬底上硅(SOI)片的面内振动压阻式加速度传感器,并针对其交叉灵敏度性能进行了研究,分析得出传感器的灵敏度与压阻微梁的轴向应力呈正比关系,并通过仿真说明该结构形式的加速度传感器具有非常低的交叉灵敏度,对检测方向的输出干扰非常小。进行了工艺加工和实验测试,实验结果表明,该面内振动的压阻式加速度传感器在20℃下,工作方向上的灵敏度为0.67mV/g,而另外两个非工作方向(x轴和z轴)上的交叉灵敏度分别为7.3x10-4%和6.6x10-4%,对工作方向的加速度检测影响非常小,此结构的设计方法对于高性能的加速度传感器的研究具有重要的参考意义。

  关键词:绝缘衬底上硅(SOI)片;面内振动;压阻式传感器;加速度传感器;交叉灵敏度

  压阻式加速度传感器主要依靠材料压阻效应所引起的电阻变化进行加速度测量。当外界加速度信号作用于敏感结构时,检测质量块带动支撑元件发生位移,位移会使支撑元件的应力分布产生变化进而引起敏感元件发生电阻变化,最后获得外界加速度的大小。

  最早开始研究的MEMS加速度传感器是压阻式加速度传感器,自从20世纪80年代,首个压阻式加速度传感器由L.M.Roylance和J.B.Angell提出后,目前已经形成了一套相对完整的设计体系并已有相当成熟的商业成品。不同学者以及研究机构围绕如何提高压阻式加速度传感器的灵敏度、固有频率以及降低交叉灵敏度等工作参数进行了大量研究。

  2012年,Y.Liu等人设计了梁膜式的悬臂梁加速度传感器,利用了梁和膜之间的厚度差将应力集中于梁上,最终达到提高传感器性能的目的。Y.Zhao等人利用孔缝双桥结构来提高加速度传感器的灵敏度和固有频率,在3V偏置电压下,灵敏度为0.424mV/g、固有频率为12.46kHz。A.R.Sankar等人提出利用在检测质量块上增加金层的方式来降低加速度传感器的交叉灵敏度,利用两者密度的区别改变检测质量块的重心,使传感器对非工作方向加速度的敏感性降低。

  随着绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator,SOI)片技术的发展,2005年,S.Huang等人通过SOI片的特点,在单片上完成了低量程压阻式加速度传感器,并提出了以优化压阻微梁位置为目标的设计方法,但其结构采用了悬臂梁-质量块结构,仅有两个可变电阻,因此无论在灵敏度还是固有频率的提升上都受到了限制。2008年,P.Dong等人设计了三轴高量程加速度传感器,但因悬臂梁-质量块结构本身的限制,无法进一步提高灵敏度和固有频率。2012年,R.Kuells等人采用了一种三端固定板结构作为理论模型设计了自支撑压阻微梁结构的冲击加速度传感器,该理论提出了以能量作为优化目标的方法,所设计的高量程加速度传感器在冲击实验中表现优异,传感器固有频率可达1.3MHz,但由于其结构使用了底面键合的方法以形成三边固定约束,使该结构模型无法应用于低量程设计。2015年,T.S.Wung等人设计了一种低交叉灵敏度的自支撑压阻微梁结构的压阻式加速度传感器,该结构通过半开环式惠斯通电桥将非工作方向的加速度进行抵消以获得低交叉灵敏度,但其灵敏度与固有频率并不高。

  就目前而言,自支撑结构的压阻微梁式传感器结构的相关研究较少,然而其将支撑元件与敏感元件分离的设计思路有助于提高加速度传感器的性能指标,因此本文针对自支撑压阻微梁式加速度传感器结构,研制出了低交叉灵敏度的加速度传感器,并进行了对应的理论分析和实验验证。

  MEMS加工技术最初起源于集成电路硅基加工工艺,其工艺手段包括光刻、刻蚀、溅射以及沉积等。其中光刻工艺作为MEMS加工技术中图形化的关键步骤,在整个加工工艺中发挥着无法替代的作用。然而光刻工艺同样具有局限性,即多次不同深度套刻过程中的对准精度问题,例如在晶圆表面多次套刻不同深度的沟槽就会形成相对狭窄的缝隙,如图1所示,在对晶圆上已有的结构进行多次刻蚀时,由于光刻精度的限制容易形成台阶状结构,从而影响器件性能,以至于影响传感器的工作性能。

  由于上述原因,传统压阻式加速度传感器一般工作方向与晶圆表面垂直,通过刻蚀工艺将整体结构释放,而压阻元件布置于支撑部件的表面,依靠支撑部件的弯曲变形所引起的应力变化进行加速度检测,因此其结构在很大程度上受到了工艺的限制,难以在晶圆垂直方向加工出多样结构。而本文所设计的加速度传感器的工作方向与晶圆表面平行,其结构将传统结构的垂直方向转换为平面方向,并结合SOI片的特点,能够灵活地设计三个方向的结构和尺寸,不再受制于工艺的限制。

  在传统压阻式加速度传感器设计中,压阻敏感元件一般嵌入或依附于结构的柔性支撑端,例如梁的根部附近,因此压阻敏感元件中的应力完全决定于结构在外界加速度下的位移,这就导致了应力与位移之间产生直接的耦合关系。为了减弱应力与位移之间的这种直接耦合关系,M.K.Lim等人提出了一种压阻微梁式加速度传感器将支撑元件与敏感元件分离,使两者各司其职,极大地弱化了应力与位移之间的直接耦合关系。本文设计的加速度传感器由支撑梁、敏感梁以及检测质量块组成,两根敏感梁对称分布于支撑梁两侧,如图2所示。

  压阻微梁由SOI片的器件层构成,支撑梁、可动质量块和铰链由器件层、埋氧层和衬底硅共同构成。加速度传感器的工作方向为平行于y轴方向,SOI片晶面为(100)晶面,四根压阻微梁沿[011]晶向对称分布于两根支撑梁两侧。当外界加速度作用于传感器时,可动质量块的惯性引起可动质量块的偏移,进而导致支撑梁和铰链发生弯曲,该弯曲与可动质量块的共同作用使压阻微梁发生轴向变形以及侧向弯曲,分布于同一支撑梁两侧的压阻微梁分别会发生带有侧向弯曲的拉伸变形以及带有侧向弯曲的压缩变形,因此分布于同侧的两个压阻微梁刚好组成惠斯通电桥的一个桥臂,四根压阻微梁构成半开环的惠斯通全桥以达到加速度检测的目的。由于传感器工作方向以及压阻微梁布置的方式,希望压阻微梁变形中纯轴向变形成为变形的主要形式,而侧向弯曲所引起的变形则尽可能的小,以减少压阻微梁中不必要的变形损失。值得注意的是,压阻微梁相较于支撑梁和铰链的结合尺寸非常小,这样的设计有助于将惯性能量集中在压阻微梁上,保证加速度传感器具有很高的灵敏度。此外,从加速度传感器结构完整性的角度考虑,在工作状态下,压阻微梁对整体结构的运动具有很强的约束作用,有助于提高加速度传感器的整体刚度和固有频率。

  交叉灵敏度是加速度传感器一个比较独特的参数,其反映了非工作方向加速度对传感器输出信号的影响,在很多应用场合下,交叉灵敏度过大会严重影响加速度传感器的正常输出,因此交叉灵敏度在实际应用中具有十分重要的意义。面内振动的压阻式加速度传感器工作原理如图3所示。图3中,D为压阻微梁中轴与支撑梁中轴之间的距离,aapplied是作用在加速度传感器上的加速度,在加速度的作用下质量块结构产生的变形情况如图3(a)所示,由于质量块的转动(转动角度为θ),上方两个压阻微梁结构被拉伸,伸长量为Δl,下方两个压阻微梁被压缩,压缩量也为Δl。由于压阻效应,拉伸梁的电阻变化为+ΔR,压缩梁的电阻变化为-ΔR。四个压阻微梁构成的惠斯通电桥结构如图3(b)所示,在给电桥输入供电电压Vin后,由于加速度的作用,惠斯通电桥的输出电压为Vout。

  压阻器件主要依靠压阻元件中的应力变化来获得电阻变化,进而在惠斯通电桥中得到相应的电压变化。通过压阻微梁的轴向变形计算轴向应力σ,结合式(1),压阻微梁的轴向应力为

  式中:E为压阻微梁的弹性模量;l为压阻微梁的长度。由式(2)可知,压阻微梁的轴向应力不仅与压阻微梁的位置有关,同时也与整个结构的转动角θ有关。

  在未接入外部补偿电路的情况下,传感器的输出电压Uout与惠斯通电桥的输出电压Vout相同,本文暂不考虑补偿问题,因此Uout=Vout,由式(2)和式(3)联立,可得传感器输出电压为

  另外,压阻式加速度传感器的灵敏度(S)是描述输出量随输入量的变化比例,因此可以被定义为

  可以看出,加速度传感器的灵敏度与压阻微梁上的应力呈正比,在此基础上对加速度传感器进行有限元仿真分析,在工作方向(y轴方向)的加速度作用下,压阻微梁上的应力分布情况如图4所示。对于特定的压阻材料π44是常数,施加固定的外界加速度条件后,压阻微梁的应力大小直接反映了传感器的灵敏度。

  经过不同方向的加速度作用的仿真后,将压阻微梁的应力仿线中,由结果可知,在外界加速度下,由其他方向(x轴和z轴方向)的加速度引起的压阻微梁应力远远小于工作轴加速度引起的应力,并且由于采用半开环式的惠斯通电桥作为信号输出电路,当非工作方向加速度施加于传感器时,由于同一桥臂的对应电阻受力情况相同,因此不会使惠斯通电桥产生电压差,这样可以有效抵消其他轴加速度引起的信号输出。

  对于本研究中的加速度传感器,y轴加速度方向为工作方向,其灵敏度称为工作灵敏度,其他两个轴的加速度方向(即x轴与z轴方向)的灵敏度为非工作方向灵敏度,称为交叉灵敏度,通过仿真分析得出本研究中的自支撑结构面内振动加速度传感器具有很低的交叉灵敏度,对与压阻微梁的影响非常小,因此工作方向的加速度检测精度较高。

  该压阻式面内加速度传感器采用双面抛光的SOI硅片制备,器件层选用n型(100)晶面,电阻率为3Ω·cm,硅片总厚度为315μm,硅片器件层厚度为10μm,SiO2绝缘层的厚度为1μm,底层硅厚度为304μm。键合玻璃片选用Pyrex 7740玻璃,厚度500μm,加工后的传感器芯片如图5所示。

  制备完成的加速度芯片经过印刷电路板(PCB)电路封装后,安装在转盘上进行稳态实验,转盘提供0~30g的加速度变化范围,每次变化3g,实验装置如图6所示。

  加速度传感器实验在室温20℃下进行,利用精密源表对加速度传感器提供3V直流电压,测量实验开始之前需要对加速度传感器进行调零,即在静止状态下测量传感器的输出电压,将此时的输出电压作为加速度传感器的零位,调零完成后再测量加速度变化后传感器的输出电压,其实验结果如表2所示。

  根据表2中的测量结果,将满量程的数据代入式(5)可计算出加速度传感器灵敏度为0.67mV/g。

  对于加速度传感器,理论上敏感轴的加速度输入在非工作方向应当无输出电压,但由于结构的原因,非工作方向的加速度总会引起传感器的输出电压,造成误差。其误差大小的评价可以用交叉灵敏度来表示。

  交叉灵敏度(Sc)是建立工作轴加速度传感器输出电压变化与非工作轴交叉加速度传感器输出电压之间关系的比例系数,可以表示为

  式中:Vc-FS为非工作方向加速度引起的满量程输出电压;VFS为工作轴加速度满量程输出电压。

  在完成加速度传感器灵敏度测试后,将固定于转盘式稳态加速度实验机的振动加速度传感器重新安装,以测量其他两个非工作轴方向的加速度对加速度传感器的影响,其交叉灵敏度如图7所示。根据图7的测量数据,代入式(7),可得传感器x轴交叉灵敏度为7.3x10-4%,z轴交叉灵敏度6.6x10-4%。

  本文在分析了传统压阻式加速度传感器的加工工艺缺陷后,设计了一种具有自支撑结构的压阻式加速度传感器。通过压阻传感原理的理论分析,表明该种传感器在工作方向上的灵敏度与压阻微梁的轴向应力呈正比关系,并通过有限元仿真证明了该结构在非工作方向上的应力分布远低于工作方向上的,这也就意味着该传感器的交叉灵敏度很低。本研究还对加工出的加速度传感器进行了稳态测量实验,实验结果表明该结构的加速度传感器在20℃下,工作方向上的灵敏度为0.67mV/g,并通过实验验证了该传感器在非工作方向上产生的交叉灵敏度确实非常小,这与理论分析的结果一致,该传感器在两个非工作方向(x轴和z轴)上的交叉灵敏度分别为7.3x10-4%和6.6x10-4%,为加速度传感器的结构设计提供了参考。返回搜狐,查看更多

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