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三軸加速度傳感器是汽車電子和消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場發(fā)展的一個(gè)重要方向，有著巨大的市場份額。目前，娛樂系列消費(fèi)類電子產(chǎn)品(如iPod，iPhone，SonyPS3，Wii等)都應(yīng)用了加速度傳感器作為動(dòng)作操控和接收裝置。在Wii和PS3中，加速度傳感器可以靈敏地感測游戲者的動(dòng)作，并將其轉(zhuǎn)換為游戲中的虛擬人物、物品或交通工具的動(dòng)作和狀態(tài)等，并顯示在畫面中。iPod和iPhone中的加速度傳感器則可以根據(jù)用戶的動(dòng)作而相應(yīng)地對菜單進(jìn)行操作。加速度傳感器在飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，它對GPS衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位，配合陀螺儀或電子羅盤等元件一起可創(chuàng)建方位推算系統(tǒng)，對GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)性應(yīng)用。此外，三軸加速度傳感器在硬盤抗沖擊防護(hù)、子計(jì)步器和數(shù)碼相機(jī)的防抖等方面也得到了應(yīng)用。本文以熱對流三軸加速度傳感器為研究對象，在已取得的研究成果基礎(chǔ)上，針對器件設(shè)計(jì)和制造中所涉及的關(guān)鍵問題展開研究，重點(diǎn)分析多層復(fù)合半導(dǎo)體薄膜懸臂梁在溫度場和應(yīng)力場以及二者的耦合場作用下的形變機(jī)制。
有限元分析基于ABAQUS的半導(dǎo)體硅基復(fù)合薄膜彎曲懸臂梁熱結(jié)構(gòu)分析是一個(gè)復(fù)雜過程，因此，對該過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，有必要做出某些近似和假設(shè)。在做熱結(jié)構(gòu)分析的過程中，對彎曲懸臂梁撓度變化進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)做以下兩點(diǎn)基本假設(shè)：1)多晶硅腔壁絕熱，器件各部分的材料勻質(zhì)且各向同性；2)空氣與低應(yīng)力Si3N4和SiO2薄膜的熱交換系數(shù)為一固定值。
半導(dǎo)體硅基復(fù)合薄膜彎曲懸臂梁的三維有限元是在ABAQUS/Explicit軟件平臺(tái)上建立的，有限元模型參數(shù)是根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)體器件所提供的數(shù)據(jù)簡化而來，有限元模型如圖1所示(圖中上蓋已經(jīng)被隱藏，這樣可以顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且垂直于腔體平面向上的為Z軸正方向)。
腔體材料是多晶硅，用來固定懸臂梁一端和保溫絕熱，不參與結(jié)果討論，所以，將它定義為剛體。雙層懸臂梁的下層是Si3N4，楊氏模量E1=226GPa，密度ρ1=3.44×103kg/m3，泊松比γ1=0.24，與空氣的熱交換系數(shù)h1=0.01W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)α1=2.1×10-6/K，比熱C1=0.71J/(g·K)，懸臂梁的上層是SiO2，楊氏模量E2=75GPa，密度ρ2=2.2×103kg/m3，泊松比γ2=0.17，與空氣的熱交換系數(shù)h2=0.02W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)α2=0.5×10-6/K，比熱C2=0.966J/(g·K)，腔體中的填充氣體為空氣，密度為ρ2=1.29kg/m3，對流換熱系數(shù)為h2=0.025W/(m·K)。
網(wǎng)格劃分是通過布置種子來控制網(wǎng)格密度的，種子的近似全局尺寸設(shè)置為0.01，網(wǎng)格的單元屬性設(shè)置為六面體，劃分技術(shù)為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，設(shè)定算法為中性軸算法，有限元模型網(wǎng)格劃分如圖所示。仿真模型中各個(gè)部件的接觸均定義為無摩擦面接觸。
在實(shí)際工作中，水平懸臂梁兩端是被固定的，在Z軸方向上不會(huì)發(fā)生撓度變形，所以，不作討論。彎曲懸臂梁有限元模型的網(wǎng)格劃分一端被固定在腔壁中，所有方向的自由度被限制住，另一端自由，當(dāng)彎曲懸臂梁受物理場作用時(shí)，需要考慮彎曲懸臂梁的撓度情況。當(dāng)物理場作用在懸臂梁上時(shí)，要在相應(yīng)的分析步中加載對應(yīng)的物理量，比如：當(dāng)有加速度作用在懸臂梁上時(shí)，需要在加速度分析步中加載加速度；當(dāng)溫度場作用在懸臂梁上時(shí)，需要在溫度分析步中加載溫度；當(dāng)加速度和溫度場的耦合場一同作用在懸臂梁上時(shí)，則需要在加速度分析步和溫度分析步中分別加載加速度和溫度，便可得到作用在懸臂梁上的耦合物理場。
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