动热源摆式单轴MEMS热加速度计敏感机理的研究_朴林华.pdf

第4 5卷第1期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.12 0 2 3年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T O O P T I C SF e b.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 5-1 5 基金项目:国家自然科学基金资助项目(6 1 7 7 1 0 6 0);北京市新世纪百千万人才工程培养资助项目(2 0 1 9 A 2 0);北京市自然科学基金重点项目(K Z 2 0 1 5 1 1 2 3 2 0 3 4);北京市重点实验室开放课题资助项目(2 0 2 1 2 0 2 2 0 9);北京信息科技大学学科与研究生教育校内项目(2 0 2 2 0 5 D);现代测控技术教育部重点实验室资助(2 0 2 2 2 0 2 3 D);北京信息科技大学北京市传感器重点实验室资助(2 0 2 2 1 2)作者简介:朴林华(1 9 7 0-),男(朝鲜族),吉林省人,研究员,博士,主要从事MEM S惯性传感器和微流控芯片的研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 1 0 5-0 7D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 1.0 2 0动热源摆式单轴MEM S热加速度计敏感机理的研究朴林华,佟嘉程,李 备,张 严(北京信息科技大学 北京市传感器重点实验室,北京1 0 0 1 0 1)摘 要:该文揭示了一种动热源摆式单轴微机电系统(MEM S)热加速度计的敏感机理。在给出敏感结构原理的基础上,通过建立二维物理研究模型、划分网格、加载加速度等方法对敏感结构内的温度场进行了计算。结果表明,开机1.8s后在敏感结构内形成了一个稳定的以动热源为中心的温度场;输入加速度a时,动热源沿着加速度方向偏移,温度场随之偏移,敏感轴方向上对称设置的两个热线温差TX随着输入加速度a的加大而呈线性增长,温度灵敏度为7.11 0-2mK/g。根据输入-输出(a-VXOUT)特性曲线给出数学模型,得到该加速度计灵敏度为0.5V/g,非线性度为2.8%,从而揭示了敏感机理。关键词:热气体加速度计;微机械;动热源;单轴;敏感机理;数学模型中图分类号:T N 3 8 4;T P 2 0 2 文献标志码:A S t u d yo nS e n s i n gM e c h a n i s mo fS i n g l e-A x i sMEM ST h e r m a lA c c e l e r o m e t e rw i t hD y n a m i cH e a tS o u r c eP e n d u l u mP I A OL i n h u a,T O N GJ i a c h e n g,L IB e i,Z H A N GY a n(B e i j i n gK e yL a b o r a t o r yf o rS e n s o r,B e i j i n gI n f o r m a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yU n i v e r s i t y,B e i j i n g1 0 0 1 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:T h es e n s i n gm e c h a n i s mo f ad y n a m i c t h e r m a l s o u r c ep e n d u l u ms i n g l e-a x i sMEM S t h e r m a l a c c e l e r o m e-t e rw a s r e v e a l e d i n t h i sp a p e r.B a s e do n t h ep r i n c i p l eo f t h e s e n s i t i v e s t r u c t u r e,t h e t e m p e r a t u r e f i e l d i n s i d e t h e s e n-s i t i v es t r u c t u r e i sc a l c u l a t e db ye s t a b l i s h i n gt h e t w o-d i m e n s i o n a l p h y s i c a l r e s e a r c hm o d e l,m e s h i n gt h eg r i d,l o a d i n gt h ea c c e l e r a t i o na n do t h e rm e t h o d s.T h er e s u l t ss h o wt h a tas t a b l et e m p e r a t u r ef i e l dc e n t e r e da t t h ed y n a m i ch e a ts o u r c e i s f o r m e dw i t h i nt h es e n s i t i v es t r u c t u r ea f t e r1.8so fp o w e r-o n.W h e ni n p u t t i n gt h ea c c e l e r a t i o na,t h ed y-n a m i ch e a t s o u r c es h i f t sa l o n gt h ed i r e c t i o no fa c c e l e r a t i o n,t h e nt h et e m p e r a t u r ef i e l di ss h i f t e d.T h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eTXb e t w e e nt h e t w oh o t l i n e ss y mm e t r i c a l l ys e t i nt h ed i r e c t i o no fs e n s i t i v ea x i s i n c r e a s e s l i n e a r l yw i t ht h e i n c r e a s eo f i n p u t a c c e l e r a t i o na,a n d t h e t e m p e r a t u r e s e n s i t i v i t y i s 7.11 0-2mK/g.A c c o r d i n g t o t h e i n p u t-o u t-p u t c h a r a c t e r i s t i ca-VXOUTc u r v e,t h em a t h e m a t i c a lm o d e l i sg i v e n,a n dt h es e n s i t i v i t yo f a c c e l e r o m e t e r i s0.5V/g,a n dt h en o n l i n e a r i t y i s2.8%,w h i c hr e v e a l s t h es e n s i n gm e c h a n i s m.K e yw o r d s:t h e r m a l g a sa c c e l e r o m e t e r;m i c r o m e c h a n i c s;d y n a m i ch e a t s o u r c e;s i n g l ea x i s;s e n s i n gm e c h a n i s m;m a t h e m a t i c a lm o d e l 0 引言目前市场对微型加速度计适应恶劣苛刻的环境能力要求越来越高,因此,在微型加速度传感器中,微机电系统(MEM S)热气体加速度计以其超高抗冲击能力和超低制造成本在微机械传感器中独树一帜,其 他 固 体 摆 式MEM S加 速 度 计 无 法 与 其 媲美1-3。微机械热气体加速度计采用热气体质量块代替传统的固体质量块4,敏感质量几乎为0,其优秀的抗冲击性能在很多文献中都得到了验证5;同时,它结构简单,体积小,质量小,成本低,是理想的中低精度惯性器件,在导航、汽车电子、无人机、可穿戴电子设备等领域有广阔 的应用前景6-8。2 0 1 7年,M a e u m H a n团队提出了一种单轴热对流加速度计9,为了提高加速度计的灵敏度和频率响应,该团队优化了加热功率、空腔尺寸、气体介质和空气压力等参数。同年,印度理工学院提出了一种改进双轴热加速度计1 0,利用设置硅岛调节腔体中的温度分布,提高了灵敏度。2 0 1 9年,香港科技大学提出了 一 种 科 氏 力 补 偿 型 双 轴 微 热 对 流 加 速 度 计(CMT C A)1 1,实现了一种低耦合效应的双轴微热对流加速度计。2 0 1 8年,日本京都立命馆大学提出了一种带闭环热源的三轴热对流加速度计1 2,实现了三轴测量。MEM S热流加速度计的基本工作原理是利用加热器(热源)产生的热流在输入线加速度作用下发生移动,造成不对称温度场,通过设置对称的热线(热敏电阻)检测温度场的不对称分布。与传统的固体摆式加速度相比,微机械热气体加速度计的灵敏度相对较低,主要原因是热气体的等效质量和运动速度均小于固体质量块。由于热气流速度很小,气流偏转时造成的不对称温度场梯度很小,所以由热敏电阻构成的惠斯登电桥输出的不平衡电压小,加速度计的灵敏度低。因此,提高MEM S热气体加速度计是亟待突破的关键技术之一。现有的解决方案虽然可以通过加大加热器功率的方法提高灵敏度,但受功耗的限制,其灵敏度无实质性的改变和提高。为了突破这个难题,本文打破以往对热气体加速度计研究的固有模式,提出了一种新型的动热源摆式单轴MEM S热加速度计,让热源(加热器)动起来,由于热源-硅的导热系数远大于气体的导热系数,硅制热源的存在会调节腔体中的温度分布,使其受惯性力的作用发生摆动,在热线处形成大的温度梯度,从而实现大灵敏度的输出。由于MEM S传感器制作流片成本高,对于研发新型MEM S传感器,在制作流片前对传感器工作机理方面的理论研究,对于传感器性能的预判至关重要,是该传感器研发可行性的重要依据。本文在介绍该热气体加速度计结构原理的基础上,根据控制方程和加速度计的实际几何结构,利用有限元计算方法对此加速度计的输入-输出关系进行了定量计算验证,从而揭示该加速度计的敏感机理。1 结构原理动热源摆式单轴MEM S热加速度计主要包括盖板、敏感层,其结构如图1所示。敏感层盖上盖板,使敏感层的上表面处于密闭腔体里,敏感层结构如图2所示。敏感层是由MEM S体硅工艺制作的硅板,在硅板的上表面有悬空的动热源H(加热器)和一对平行设置的热线TX1和TX 2,三者的结构组成部分相同,均由硅和高温度系数的金属组成,两端都镀有金属电极。动热源H是一种可动式热源,是一种电阻加热器,它采用风火轮式摆式结构,中心轮轱是一个圆形的质量块,它通过8个完全对称的半圆形辐条(也叫支撑梁)悬置在敏感层的中心位置,H/下方是圆形的凹槽。在H/两端,沿着Y方向被覆两个对称的电极。在H周围,X方向设置一对平行、悬空的热线TX1和TX 2。TX1和TX 2的下方是与上述圆形凹槽相同深度的长方形凹槽。动热源H除了能沿垂直于敏感层平面的z轴做上下摆动外,其在敏感层x O y平面的任一方位角都有惯性力的自由度(被称为全方位摆),能够敏感在x O y平面任一方位角上的输入加速度。图1 热气体加速度计结构示意图图2 敏感层剖面图动热源摆式单轴MEM S热加速度计的工作原理如图3所示。给动热源H摆通一恒定电流,电阻加热器通电产生焦耳热并向周围气体释放热量,进行热扩散,在其四周形成热流。在无加速度输入时