韩文曼， 郭 涛

(中北大学 微米纳米技术研究中心，山西 太原 030051)

0 引 言

MEMS高量程加速度传感器是利用半导体硅的压阻效应制作而成，能将外界加速度信号转换成电信号,具有频响范围高，线性度好，易于微型化和小型化等特点,在航空航天、汽车工业、医疗仪器以及军事等领域中得到了广泛的应用[1,2]。

针对以前高gn值加速度计设计中存在的抗过载能力不足等问题,对其关键结构弹性单元进行了优化设计，利用ANSYS软件创建几何模型并进行有限元分析[3]。结果表明：结构优化后，加速度计的固有频率和抗过载能力有了极大的提升。

1 传感器的结构设计与应力分析

1.1 结构优化设计

对于高量程加速度传感器，希望其在得到较高可靠性的同时尽可能提高灵敏度，同时为了结构稳定性，设计时还要保证足够的带宽和适当的阻尼比，根据设计指标要求确定以下性能约束[4]:1)满量程输出A=10 000gn;2)固有频率f≥50 kHz;3)灵敏度S≥15 μV/gn；4)抗过载能力为20 000gn。

由于传统的四边八梁结构与双边四梁结构相比较，四边八梁结构的输出灵敏度相对较低，同时双边四梁结构有过振保护和相对较好的转换效率[5]。为了满足设计要求，本文选择双边四梁结构进行了优化设计，优化后的结构如图1所示。

图1 高量程加速度计的优化结构

1.2 传感器的应力分析

综合考虑到传感器的固有频率，灵敏度，阻尼等因素的影响[6]，同时考虑到加工条件的限制,设定传感器的参数如表1所示。

表1 传感器的参数值 μm

在高量程加速度传感器敏感元件的设计过程中，在满量程下的结构中危险区域的结构应力是衡量其量程的一个标准。……