万方数据2008年9月石云波等:微型高过载加速度传感器的加工与测试图【2】,量程为1500009,一阶固有频率可达300kHz。所设计的结构梁的宽度和质量块的长宽均一致,压阻对称放置于四梁根部,可以很好地抑制非对称性结构引起的沿梁长度方向横向加速度的影响。利用KOH溶液在质量块背部开槽腐蚀,减小质量块质量及其与梁中心面的距离,从而使梁岛式结构与平膜式结构的优点得到有效结合。O三图1加速度传感器模型断面图1.2加速度传感器参数优化设计针对高过载的加速度传感器,期望在得到较高可靠性的同时,尽可能灵敏度,同时为了保证结构稳定性,设计时还要保证足够的带宽和适当的阻尼比。根据设计指标要求确定以下性能约束[341:①%≤。200MPa;②f≥250kHz;⑧善30.707。考虑在加工过程中选用的硅片厚度为400gm,在梁宽度与质量块宽度相等的前提下,为保证经KOH腐蚀后形成的质量块背部的完整性,质量块尺寸不易小于l000gm。若质量块太小,由于KOH腐蚀的各向异性,经腐蚀深度越大,质量块背部越容易形成倒锥形,难以得到理想的质量块;若减小背腔腐蚀深度,则会使梁的厚度增大,对梁结构释放时的ICP刻蚀造成困难15J。所以本设计首先从工艺优化角度出发,确定质量块尺寸,上表面边长为l050gm,厚为400mⅡ。在梁岛结构的加速度传感器设计中,考虑到参数对结构应力和频率的影响,利用ANSYS软件进行优化,下表为最终得到的一组优化参数。表加速度传感器结构优化参数表gm1.3灵敏度分析根据上表参数建立ANSYS实体模型,设定有限元的单元类型为SOLID45;硅晶体材料的密度为2330kg/m3,硅泊松比为0.28;采用划分体单元时的网格大小为240恤m。在支撑区底部加全约束,给整体结构施加150000g敏感方向的惯性载荷后经解算,可得到如图2所示应力分布图。图2结构表面应力分布然后在加速度传感器结构上表面建立一条在z方向贯穿整体结构的路径。经ANSYS分析可以得到结构在该路径上所受的x方向应力曝及Y方向应力西,并看出结构上表面的应力分布是基本对称的。进一步提取单梁上的应力曲线,如图3所示。压敏电阻在某一单梁上的位置正是以此为依据布置的。避开图3中曲线两端的非线性区域,根据结构上表面应力分布,将四个压阻放置在线性区域内,分别距梁根部50“m。芒鼍R翻暑・U藤图31500009时单梁上的应力曲线压阻布置连线情况如图4所示,取工作电压Um=5V,当受z方向加速度时,R1、R3变化相同,均受拉应力(仿真结果为正值;R2、R4变化相同,均受压应力(仿真结果为负值。图4电阻连线图T过万方数据机械工程学报第44卷第9期结合图2、3可近似求得,靠近粱根部的压阻月l所受纵向应力,O"z=49Mpa,横向应力crh=16MPa。从而可以得到当器件受到150000g加速度时,电桥输出‰=5x华(吒一O"h=110mV(1则输出灵敏度为s:坠:婴:o.733肛V/g(2a1500009。。、72传感器工艺设计本传感器采用北京大学微电子所的标准MEMS体硅工艺制作16J,采用N(100晶向、电阻率为2~4Q・cm、400pm±10nⅣ的双面抛光硅片作为起始材料。实现步骤可以简单概括为:①压阻形成;②背腔腐蚀;③金属连线形成;④ICP释放结构;⑤正面Si/玻璃键合、划片、封装。在上面步骤中,第①步和第⑤步中有高温过程,金属连线可以选择Al或者Au,背腔腐蚀采用KOH湿法腐蚀。由于压阻形成时需要有离子推入过程,温度在l100,℃键合时的温度大致为380,℃因而键合工艺放在离子推进之后进行。由于Al和Si的共融温度为400℃左右,最终采用Al作为金属化的连线材料。而在背腔腐蚀中,会因采用KOH湿法腐蚀而在硅片中引入K+离子,造成污染,所以之后还要进行必要的去K+清洗。该器件采用硅片和玻璃键合的方式,以保护敏感结构,所以要先进行ICP刻蚀穿通,然后进行键合。最后进行划片和封装完成芯片的制作。加速度传感器工艺流程简图如图5所示。样片表面照片如图6所示。图5加速度传感器工艺流程图图6样片正表面照片3传感器测试利用光栅激光干涉冲击校准装置对器件进行动态特性校准I,J。光栅激光干涉冲击校准装置如图7所示,主要由霍普金森杆、差动式光栅激光干涉仪、数字示波器和计算机系统组成。霍普金森杆用于在校准端面获得波形良好、横向运动小的冲击过程。差动式激光干涉仪用于检测由于光栅运动产生的多普勒频移信号。数字示波器用来采集多普勒信号和记...