新型MEMS三维振动传感器的有限元分析

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振动传感器作为测试技术中的关键部件之-，已广泛应用于航空、航海、宇宙探索、资源探测、海洋开发、公害检测、工业监控、农业工程、医学工程、生物工程等领域，并展现了极其广阔的前景 。目前，大多数振动传感器只能测量-维信息，要完成振源的具体定向，需对-维传感器进行组装，从而使多维振动传感器体积较大，工艺复杂，安装精度低且成本高等，限制了振动传感器的使用范围 J。对于现有的-体化多维振动传感器，多采用压电和电容原理，其内部都含有-个质量快。其中压电式振动传感器存在维问耦合，各方向测量结果互相影响，电容式-般只适用于二维振动测量。比较先进的光学三维振动传感器则结构相对较复杂，体积大、成本高 J。随着微机械电子技术的迅速发展，MEMS加工技术和工艺不断更新，将微机械电子行业的优势与仿生学结合起来，使得研发单片集成的高灵敏度多维振动传感器成为可能。

本文以昆虫纤毛为原型，结合 MEMS技术提出了-种结构巧妙的 MEMS纤毛式 维压阻振动传感器，讨 论 了 其 数 学 模 型，并 运 用 ANSYSWorkbenchl2.0有限元软件对传感器的静、动态特性、维间干扰及抗冲击能力等特性进行了研究，最后通过实验测试验证了传感器的频响范同。

1 纤毛式振动传感器的结构与工作原理微纤毛感受器是-种普遍存在于动物世界的机械刺激感知器官。通常情况下，微纤毛感受器具有多束表皮角质层突出构成的类毛发状结构，如图 1项目来源：国家 863计划项目(2011AA040404)；国家自然科学基金资助青年科学基金项 目(51205374)；困家自然科学基金资助专项基金项 目(61 127008)收稿日期：2013-01-13 修改日期：2013-03-06第4期 李 振，吴淑娟等：新型 MEMS三维振动传感器的有限元分析 505取 10节点的四面体单元 SOLID187作为以二氧化硅为材料的垂直纤毛柱体的单元类型，采用手动控制等分数和自由网格划分结合并以多域扫掠方式划分网格，得到的传感器的有限元模型如图7所示。

表 1 结构参数定义密度 (kg·cm ) 2 330杨氏模量/(xl0N·iq ) 1.65泊松比 o.2782 3200.740.17图 7 纤毛 时振动传感 器有 限元模 型3.2 静态特性仿真分析静态特性仿真分析的目的主要有 3点：(1)分析纤毛拾茹定振动信号后，梁上应力的变化规律，进而找到合适的应力变化位置布放压阻并确定维间耦合度；(2)分析传感器能否在研制目标的量程内保证线性输出；(3)分析传感器的最大抗瞬间冲机能力。

根据传感器实际工作情况，在进行约束设置时，衬底框架的全部自由度设为 0。根据仿真目的，首先分别在 、l，、z方向施加 10 g 外载荷，进行求解 ；然后分别沿 、z方向在 0～30 g 范围内以每次曾加 2 g 的方式施加外载荷，共施加 10次，分别进行求解；最后分别沿 、z方向施加 100 g 外载荷，进行求解。由于 ANSYS Workbenchl2.0静力分析后得到的是传感器各部分的应力变化值，为得到梁上压阻阻值变化还需结合压阻与应力 的关系 7rforf7r ，其中7rf、7r 分别为 f、or 对应的压阻系数。对于 P型压敏电阻<110>晶向 ，7r ：71.8×10 Pa～，7r -66.3×10 Pa～。在压阻设计过程中，需要旧能地利用纵向效应并抑制横向效应，因而要求纵向应力尽量大，横向应力近似为 0，所以- 71.8o- ×10 。。 传感器 的灵敏度可表示为s：! ： ：0表 3为传感器压阻变化灵敏度(Vi 10 V)和维问耦合仿真分析结果，图 8为第 1种加载方式四梁和水平纤毛上的应力曲线，图9为第 2种加载方式应力拟合 曲线，图 10为第 3种加载方式应力云图表 3 仿真结果分析(电压)从仿真结果看出该结构各项别的灵敏度分别为向307.33 pN/g 、Y向 291.45 pV/g Z向 274.18pN/g ， 向与 z向灵敏度差别最大为33.15 v/gn，该差别可以通过外部电路或算法进行补偿。从图8中看出，在梁端部 13区域内， 向梁、y向梁及水平纤毛上的应力分布最大但并不成线性关系，根据压阻布放原则(压阻放在应力最大的区域，且该区域应力线性分布)，该区域不是理想的布放位置，因此压阻放置在距离梁根部或端部 13 m处，同时图8(a)、8(b)显示，沿 、，各自方向上加载求解后，其他两个方向，梁上的应力分布几乎为零，即惠斯通电桥输出电压几乎为零，图8(c)显示沿 z方向加载后， 、，方向梁上应力呈对称方式分布，根据惠斯通电桥工作原理，此时输出电压几乎也为零，即该传感器的维间耦合几乎为零，从表3的分析结果也可以看出各项修正前输出维问耦合最大为0.6125%。以上分析即为图3中压阻布局的原因。

第4期 李 振，吴淑娟等：新型 MEMS三维振动传感器的有限元分析 507为本传感器的上限频率，图 11～图 13为本传感器在、y、Z 3个方向上的谐响应分析曲线，由于 、y方向上的四梁结构具有轴对称性，所以其分析结果基本-致的。从谐响应分析曲线中可以看到在 1 500 Hz之前的幅频与相频曲线幅值误差在 12%以内，说明本传感器在 1 500 Hz之前具有良好的频率响应。

22Frequency/M Hz(a)幅频曲线Frequency/MHz(b)相频曲线图 11 方向谐响应分析曲线∞ 主呈凸-Frequency/MHz(a)幅频曲线Frequency/MHz(b)相频曲线图 l2 方向谐响应分析曲线4 传感器的频率响应实验测试为确定本传感器的频响范围，采用传感器自动校准系统 TV5220及其配套仪器对传感器进行频响测试。在测试过程中，将丹麦 B&K公司生产的加速度计 8305作为标准传感器(灵敏度为60 mV/g )，然后分别将传感器沿 、l，、z方向与 自动校准系统安装面垂直，固定信号的幅值进行扫频测量，该实验的扫频范围为0-4 000 Hz，测试结果如图 14所示，从图中可以看出：本传感器的共振频率为2 200 Hz左右，1 500 Hz之前的相位差在 1。以内，与3.3节中的仿真结果(2 342.6 Hz)基本-致。

C∞ 山 Frequency/MHz(a)幅频曲线Frequency/MHzfb)相频曲线图 13 z方向谐响应分析曲线Ch2/Control Frequency/Hz(a)Transmissibility(referenceContro1)Ch2 Frequency/Hz(b)Phase relative to output5 结论图14 传感器频响测试曲线本文提出了-种基于 MEMS的纤毛式三维压阻基T1，3口暑lIQII《-IIT1，a r Il(IHH《-。J，3- u、 0∞日I-00 0-苗II 等量Il口吕《-∞磊 口置 )o∞