高g值平面内硅MEMS加速度计的优化设计及有限元方法仿真

《Journal of Computational Electronics》：Optimum design and finite element method simulation for a high-g in-plane silicon MEMS accelerometer

提出一种基于四悬臂薄板支撑的质量块平面MEMS加速度计，采用压敏电阻转换形变，通过理论分析和FEM仿真验证，优化尺寸实现100,000g测量范围和200,000g过载能力，提升高过载应用可靠性。

　　

摘要

设计了一种用于超大幅加速度测量的平面型高g值微机电系统（MEMS）加速度计。该设备采用压阻式MEMS加速度计结构，其中压阻器作为信号转换元件。与传统由悬臂梁支撑的结构不同，该加速度计的摆锤通过四个悬浮的薄板进行支撑，以提高在高g值冲击载荷下的结构刚度和可靠性。传感结构通过粘接技术固定在基底上。加速度计采用平面型传感配置，即施加的加速度垂直于摆锤的表面。这种配置有效避免了在极端加速度条件下粘接界面处产生较大的剪切应力，从而提高了设备在高g值应用中的机械可靠性和使用寿命。在四个悬浮薄板的根部对称地制造了四个压阻器，将结构变形转换为电阻变化。通过理论分析和有限元方法（FEM）仿真验证了该设计的可行性，并得出了最佳的结构设计。仿真结果表明，该加速度计的测量范围可达100,000 g，而过载抵抗能力可达200,000 g。优化后的尺寸参数包括：摆锤边长为1000微米（μm），悬浮薄板长度为600微米（μm），宽度为320微米（μm），结构厚度为80微米（μm），以及结构下表面与基底之间的间隙为5微米（μm）。实验结果表明，所提出的加速度计适用于高g值加速度测量应用。