抗过载压电式振动测量MEMS加速度传感器设计与分析
振动信号作为一种常见且重要的特征参数,是工业装备、大型建筑、精密仪器等状态监控系统主要监控的参数之一。振动传感器作为振动监控系统最前端的拾振环节,也是振动监控系统的核心器件,在现代科学技术与工业体系高速发展背景下,被要求具备更优越的全方位性能,特别是传感器的可靠性与稳定性。
因此,发展研究适用于现代振动监控系统的新型稳定可靠高性能振动传感器已经成为人们日益关注的问题,对提高振动监控系统性能、效率以及可靠性等方面具有一定意义。本文针对振动传感器发展的实际需要,提出了一种用于振动测量的抗过载压电式MEMS加速度传感器方案,主要内容包括:(1)设计了一种具有全方位抗过载结构的压电式振动测量加速度传感器,该加速度传感器基于MEMS技术以实现加速度传感器微型化与轻量化,采用质量块-四端L形梁敏感结构,在获得较高器件固有频率的同时提高灵敏度,降低横向干扰。
采用压电式检测方式实现均衡的振动测量性能。设计了一种制备工艺较为简单的三轴嵌入式限位结构,增强器件全方位抗过载能力。
此外,该传感器采用三层叠合结构,实现自体密封的圆片级真空封装,减轻环境微粒污染,提高加速度传感器可靠性与稳定性。(2)建立了加速度传感器敏感结构理论模型,通过数学工具软件MATLAB对所建立的模型进行理论分析并优化结构参数;采用有限元仿真软ANSYS对加速度传感器敏感结构进行了模态分析、静力分析、过载分析、动力分析以及力-电耦合场分析,得到固有频率、静态位移与应力响应、动态频率特性、电压灵敏度、线性度与横向灵敏度等加速度传感器指标特性,验证设计可行性。
(3)给出了加速度传感器的工艺制备、圆片级封装方案以及版图设计。经仿真验证表明,
该压电式振动测量加速度传感器固有频率约为29.8 kHz,在0-1000g加速度量程范围、0-6 kHz频率范围内,电压灵敏度约为0.2 mV/g,横向灵敏度为11.25%,输出线性度为1.1%,并具备抗10000g过载加速度能力。
