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三軸加速度傳感器是汽車電子和消費類電子產(chǎn)品市場發(fā)展的一個重要方向，有著巨大的市場份額。目前，娛樂系列消費類電子產(chǎn)品(如iPod，iPhone，SonyPS3，Wii等)都應用了加速度傳感器作為動作操控和接收裝置。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)用戶的動作而相應地對菜單進行操作。加速度傳感器在飛機導航系統(tǒng)中廣泛應用，它對GPS衛(wèi)星信號實現(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)實現(xiàn)互補性應用。此外，三軸加速度傳感器在硬盤抗沖擊防護、子計步器和數(shù)碼相機的防抖等方面也得到了應用。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，針對器件設計和制造中所涉及的關(guān)鍵問題展開研究，重點分析多層復合半導體薄膜懸臂梁在溫度場和應力場以及二者的耦合場作用下的形變機制。
有限元分析基于ABAQUS的半導體硅基復合薄膜彎曲懸臂梁熱結(jié)構(gòu)分析是一個復雜過程，因此，對該過程進行數(shù)值模擬分析時，有必要做出某些近似和假設。在做熱結(jié)構(gòu)分析的過程中，對彎曲懸臂梁撓度變化進行研究時，應做以下兩點基本假設：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)空氣與低應力Si3N4和SiO2薄膜的熱交換系數(shù)為一固定值。
半導體硅基復合薄膜彎曲懸臂梁的三維有限元是在ABAQUS/Explicit軟件平臺上建立的，有限元模型參數(shù)是根據(jù)設計實體器件所提供的數(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置為0.01，網(wǎng)格的單元屬性設置為六面體，劃分技術(shù)為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，設定算法為中性軸算法，有限元模型網(wǎng)格劃分如圖所示。仿真模型中各個部件的接觸均定義為無摩擦面接觸。
在實際工作中，水平懸臂梁兩端是被固定的，在Z軸方向上不會發(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，當彎曲懸臂梁受物理場作用時，需要考慮彎曲懸臂梁的撓度情況。當物理場作用在懸臂梁上時，要在相應的分析步中加載對應的物理量，比如：當有加速度作用在懸臂梁上時，需要在加速度分析步中加載加速度；當溫度場作用在懸臂梁上時，需要在溫度分析步中加載溫度；當加速度和溫度場的耦合場一同作用在懸臂梁上時，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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