HEMT微加速度计的结构优化设计

赵晓霞，梁 庭

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051）

0 引言

随着微机电系统（MEMS）的快速发展，新型加速度计的设计得到了人们越来越多的关注。利用MEMS技术制成的、由微陀螺仪和微加速度计构成的微惯性测量单元（MEMS micro inertial measurement unit，MEMS-MIMU），因其具有可靠性高、体积小、重量轻、耗能少、成本低等优点，在军事与民用领域的应用越来越广泛［1～3］。由于惯性元件微加速度计的性能是微惯性导航系统性能的决定因素之一，所以，研究微加速度计的灵敏度可以有效提高惯性测量系统的精度。

对不同的MEMS加速度传感器，灵敏度和固有频率是传感器的2个重要性能指标，直接反映传感器的好坏。而传感器弹性体结构参数对传感器的灵敏度和固有频率的影响是非常大的，为了提高HEMT微加速度计的性能，根据以前结构设计、测试中出现的灵敏度低的问题，对微加速度计的关键结构弹性单元悬臂梁—质量块的实体形状和尺寸分别进行了优化设计。在总结结构优化设计的数学描述和模型建立的原则基础之上，用力学分析理论和ANSYS有限元分析工具，对弹性体创建几何模型并进行有限元分析，定义优化变量，给出生成分析文件，分析主要结构参数变量对加速度计结构产生的影响［4］。结果表明:结构优化后，HEMT微加速度计的结构灵敏度提高了1个数量级，改善了微加速度计的性能。

1 HEMT微加速度计的工作原理与原结构

图1为HEMT微加速度计原结构的示意图，加速度计采用典型的四边梁结构，HEMT集成在微悬臂梁—质量块结构上，制成微加速度计的结构。悬臂梁根部的2对器件，器件沟道分别垂直和平行于微悬臂梁，边框上的器件沟道均垂直于微悬臂梁。

图1 加速度计弹性结构示意图Fig 1 Diagram of accelerometer elastic structure

此HEMT微悬臂梁加速度计结构是基于HEMT的力电耦合特性设计的，当在微结构上施加应力或者产生加速度时，悬臂梁产生变形，在HEMT器件中引起极化效应，导致二维电子气浓度的变化，宏观上表现为HEMT器件输出电流的变化，从而将力学信号转换为可测量的电学信号。

HEMT微加速度计原结构的结构参数如表1。

表1 HEMT微加速度计原结构的结构参数Tab 1 Structure parameters of original HEMT micro-accelerometer

利用ANSYS 12．0有限元分析软件对原结构进行仿真，根据仿真数据和实验数据计算得到，HEMT微加速度计原结构的结构灵敏度为4．13×10－3μm/gn，应力变化率为0．0688 MPa/gn。

HEMT加速度传感器原结构的性能参数如表2所示。

表2 原加速度计结构性能参数Tab 2 Performance parameters of original accelerometer structure

由表2可以看出:加速度计原结构的结构灵敏度和输出灵敏度很低，通过对加速度计的弹性结构进行优化，其结构灵敏度提高了1个数量级。

2 HEMT微加速度计的弹性结构优化

通过前文对HEMT微加速度计原结构的分析可知，该结构优化的重点是其结构灵敏度，以它作为优化的目标函数，根据加速度计结构的力学特性分析，得出结构挠度和结构灵敏度如公式［5］（1）、式（2）

挠度方程为

结构灵敏度为

其中，悬臂梁长、宽、厚分别为l1，w1，hl;质量块的质量为M1;E为Si材料的杨氏模量。

加速度计弹性结构的灵敏度和固有频率与梁和质量块的长度、宽度及厚度等因素密不可分。要想获得高灵敏度，就要使质量块尽量大，悬臂梁尽量长，厚度和宽度尽量小。由于工艺制作条件的限制，悬臂梁的厚度和宽度不能做的太小，所以，主要以增加质量块大小和悬臂梁的长度来提高结构灵敏度。本文在保持加速度计原结构中悬臂梁厚度不变的情况下，通过梁的长度和质量块的大小来优化加速度计结构的灵敏度。

综合考虑，所要优化的传感器采用一种折梁结构，该结构能更好地利用空间，在同样尺寸的边框里使质量块更大，悬臂梁更长，而且结构严格对称，在提高输出灵敏度的同时能够更好地解决横向效应的问题［6，7］。

根据原结构尺寸和工艺条件的限制，将梁的厚度设为定值，为20 μm。所以，优化的结构参数为:梁的长度l，宽度w，质量块的长度a，宽度b和厚度c。根据加速度计的性能的要求（抗过载能力大于200gn）。该加速度计应该设有过载保护装置，即在加速度载荷作用下，质量块在z方向上的最大位移量为5 μm。

由于材料Si的弹性形变范围为0～80MPa，塑性形变范围为80～340 MPa，为保证加速度计的输出具有良好的线性度，梁根部所承受的最大应力应该小于80 MPa。

结合加工工艺的可行性，设计加速度计的新结构参数如下:

整个器件结构的边框尺寸:4000 μm×4000 μm;

质量块尺寸:长度a=1800μm，宽度b=1800μm，厚度c=100 μm;

悬臂梁的尺寸:大梁长度l1=2 200 μm，小梁长度l2=100 μm，宽度w=400 μm，厚度h=20 μm;

小梁的偏心距:s=200 μm;

用于过载保护的极距:d0=5 μm;

重力加速度:1gn=9．81 m/s2

根据以上参数，建立加速度计的弹性结构模型如图2所示。

图2 加速度计弹性结构实体模型Fig 2 Solid model of accelerometer elastic structure

3 加速度计优化结构分析

利用ANSYS 12．0有限元分析软件对优化后的结构进行仿真，将新结构在外加加速度为0～100gn时的最大应力值和最大位移量列表，如表3所示。

表3 新结构在加速度为0～100 gn时的最大应力值和最大位移量Tab 3 Maximum stress and displacement value of new structure in acceleration of 0～100 gn

优化后加速度计结构在外加作用100gn时的应力云图和位移云图如图3所示，新结构的1～6阶振型的模态频率如表4所示。

图3 新结构在加速度为100 gn时的应力云图和位移云图Fig 3 Stress and displacement contours of new structure in acceleration of 100 gn

表4 加速度计新结构1～6阶振型的模态频率Tab 4 Modal frequencies of new structure from 1 to 6 order vibration mode of accelerometer

根据表3的数据计算得到，HEMT微加速度计新结构的结构灵敏度为 3．07 ×10－2μm/gn，应力变化率为0．238 MPa/gn，比原结构提高了1个数量级，如图4所示。

根据理论计算和仿真结果得到加速度计结构优化后的性能参数如表5。

表5 加速度计结构优化后性能参数Tab 5 Optimized performance parameters of accelerometer structure

由表5可以看出:优化的目标函数结构灵敏度为3．07 ×10－2μm/gn，在满足频率响应范围的前提下，比原结构提高了1个数量级。

图4 新结构悬臂梁最大位移和最大应力随加速度值（0～100 gn）的变化情况Fig 4 Changes of maximum displacement and maximum stress of new structure cantilever with acceleration value（0～100 gn）

4 结论

本文对HEMT 微加速度计原结构的性能进行了分析和仿真，根据分析结果优化了微加速度计弹性结构的实体形状和结构尺寸，给出微加速度计的优化思路，得到优化的结构参数和模型。利用ANSYS有限元分析软件，对加速度计的新旧结构分别进行应力和模态的仿真，通过对比分析，得出优化后的加速度计的性能优于之前的结构性能，结构灵敏度由4．13 ×10－3μm/gn提高到 3．07 ×10－2μm/gn，增大了 1个数量级，输出灵敏度由 0．12 mA/gn提高到0．428 mA/gn，较之前提高了3倍。

［1］ Davis B S．Using low-cost MEMS accelerometers and gyro-scopes as stapdown IMUs on rolling projectiles［J］．Aero-space ＆ Electronics Systems Society，1998，7（3）:594 －601．

［2］ 刘 俊，石云波，李 杰．微惯性技术［M］．北京:电子工业出版社，2005．

［3］ Godha Saurabh．Performance evaluation of low cost MEMS-based IMU integrated with GPS for land vehicle navigation application［D］．Calgary，Alberta:University of Calgary，2006．

［4］ 裴 荣，王晓鸣，高旭东，等．石英振梁加速度计关键结构优化设计技术［J］．哈尔滨工业大学学报，2012，44（5）:129－130．

［5］ 毛海央，熊继军，张文栋，等．复合量程微加速度计中阻尼的分析与设计［J］．传感技术学报，2006，19（5）:2186 －2189．

［6］ 李丽华，郭 涛，熊继军，等．压阻式微加速度计的结构优化设计［J］．微计算机信息，2007，23（11－2）:221－223．

［7］ 李军俊．新型硅微加速度传感器的设计与制作［D］．北京:清华大学微电子所，1999．