用于高冲击检测硅基三轴集成压阻式MEMS加速度芯片的建模与仿真*

刘 勐，张 威，郝一龙

(北京大学微电子研究院，微米/纳米加工技术国家级重点实验室，北京100871)

以MEMS技术为基础的微机械加速度计和微机械陀螺在很多领域方面的成功应用［1］，给人类的科学研究、工业技术等领域带来了巨大的影响［2］。目前国际上对加速度计的新产品开发仍是热点，由于应用领域广阔，不同领域对加速度计的要求也不同，需要各种不同种类的加速度计。恶劣环境中的高速碰撞问题属于高速冲击动力学的研究范畴，其过程具有高速、高温、高压等基本特征。因为加载速率高、变形和速度大、接触物体间的碰撞和侵彻贯入作用，在高速碰撞过程中材料内呈现明显的应变率及绝热温升效应，甚至发生相变。此外，由于高速碰撞的发生，在材料内部产生冲击波，这种冲击波在材料内部形成压力、密度、能量和质点加速度的间断点，使微分方程产生奇异点，从而导致器件的失效。大部分MEMS器件都包含可移动部件，通常在整个系统中的可靠性和寿命都是非常低的［3］。用于恶劣环境检测的硅基三轴集成压阻式MEMS加速度计就是为研究在高速动能碰撞时硅材料的耐受能力而设计的［4］。

本文主要讨论一个以硅基材料为基础，利用硅材料的压阻效应，采用单质量块，八条悬臂梁结构的硅基压阻式单芯片集成的三轴加速度计。利用有限元软件ANSYS和ANSYS-LSDYNA的建模与仿真分析，通过在八条悬臂梁的不同位置布置由压敏电阻构成的惠斯登电桥，可以分别感测三个敏感轴轴由于高速碰撞所产生的惯性力。……