壓阻式加速度傳感器

1、新型壓阻式硅微加速度傳感器1. 新穎性 壓阻式硅微加速度傳感器，因其具有響應(yīng)快、靈敏度高、精度高、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，尤其是它的低頻響應(yīng)好，并且該傳感器在強(qiáng)輻射作用下能正常工作，對(duì)它的研究近年來(lái)受到重視。在工業(yè)自動(dòng)控制、汽車(chē)、地震測(cè)量、軍事和空間系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)及生物工程等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際生活應(yīng)用中往往傳感器的靈敏度和量程很難做到二者兼優(yōu)，為了更好地提高壓阻式加速度傳感器的靈敏度，新型壓阻式加速度傳感器的量程設(shè)計(jì)加以改進(jìn)，利用靜電力對(duì)其量程進(jìn)行可調(diào)控制。對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)確定的懸臂梁式加速度傳感器的設(shè)計(jì)考慮主要在于：其敏感質(zhì)量塊的自由運(yùn)動(dòng)范圍，制約著它的測(cè)量范圍。新型壓租式硅微加速

2、度傳感器采用靜電力來(lái)抵消部分加速度慣性力，使同樣大小的質(zhì)量塊位移量能夠代表更大或不同的被測(cè)加速度值，從而實(shí)現(xiàn)量程可調(diào)的目的。2. 傳感器工作原理 壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料受應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。原因可以解釋為：由應(yīng)變引起能帶變形，從而使能帶谷中的載流子數(shù)也發(fā)生相對(duì)變化，導(dǎo)致電阻率變化。由半導(dǎo)體電阻理論可知電阻率的相對(duì)變化為 式中， 為沿晶向 L 的壓阻系數(shù)，單位 ； 為沿晶向 L的應(yīng)力，單位 ；E 為半導(dǎo)體材料的彈性模量，為軸向應(yīng)變。壓阻式加速度傳感器工作原理 壓阻式加速度傳感器的工作原理是：在測(cè)量物體加速度時(shí)是基于牛頓第二定律，即物體運(yùn)動(dòng)的加速度與作用在它

3、上面的力成正比，與物體的質(zhì)量成反比，即 a =F/m 。當(dāng)物體以加速度 運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，該變形引起壓阻效應(yīng)，懸臂梁上半導(dǎo)體電阻阻值發(fā)生變化致使橋路不平衡，從而輸出電壓有變化，即可得出加速度 a值的大小。 懸臂梁壓阻式加速度計(jì)的傳感原理懸臂梁壓阻式加速度微傳感器是通過(guò)將加速度產(chǎn)生的作用加到質(zhì)量塊上，并將質(zhì)量塊的移動(dòng)通過(guò)壓敏電阻來(lái)測(cè)量。懸臂梁壓阻式加速度微傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖如 下所示。 懸臂梁壓阻式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖1懸臂梁；2擴(kuò)散電阻；3質(zhì)量塊；4機(jī)座外殼 當(dāng)加速度作用于懸臂梁自由端質(zhì)量塊時(shí)，懸臂梁受到彎矩作用產(chǎn)生的應(yīng)力而發(fā)生變形由于硅的壓阻效應(yīng)

4、，各應(yīng)變電阻的電阻率發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出電壓發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量輸出電壓的變化可得到被測(cè)量的加速度值。新型懸臂梁壓阻式加速度計(jì)量程改進(jìn)的依據(jù) 壓阻式加速度計(jì)的工作原理是根據(jù)作用在彈性元件上的外力致使其發(fā)生形變，引起制作在彈性元件上的應(yīng)變電阻受到應(yīng)力其阻值改變，從而輸出電信號(hào)發(fā)生變化。在現(xiàn)有的 MEMS 技術(shù)下，尤其是懸臂梁式加速度傳感器，懸臂梁多采用硅材料或石英材料制作，懸臂梁結(jié)構(gòu)比較適合于小量程傳感器。然而在實(shí)際工程中，往往懸臂梁會(huì)受到隨時(shí)間變化的動(dòng)載荷，甚至是瞬時(shí)沖擊較大的載荷作用，雖然可以根據(jù)載荷作用前后的能量守恒原則，但是當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，結(jié)構(gòu)將發(fā)生斷裂或屈服失效，特別

5、是脆性材料多晶硅制成的懸臂梁在沖擊或振動(dòng)作用下很容易斷裂失效。此外，疲勞也將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂，構(gòu)件在交變應(yīng)力的作用下，即使其應(yīng)力小于斷裂強(qiáng)度，在經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的交變應(yīng)力之后也會(huì)發(fā)生脆性斷裂。為了使懸臂梁不被損壞，同時(shí)也為了滿足不同荷載作用時(shí)加速度的準(zhǔn)確測(cè)量，本文提出了用靜電力來(lái)抵消部分慣性力，從而使得較小的質(zhì)量塊位移就能代表較大的加速度值，大大降低了梁的彎曲形變。靜電力調(diào)控基本原理如下式 ，F(xiàn)為敏感質(zhì)量塊受到的加速度慣性力； 懸臂梁彈性形變回復(fù)力； 為質(zhì)量塊所處的電容板間的電場(chǎng)力。利用單片機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)控電容極板間的靜電力大小來(lái)抵消部分慣性力，最終使敏感質(zhì)量塊的位移距平衡位置的差距不會(huì)很大，進(jìn)而保護(hù)了懸臂

6、梁不會(huì)被折斷或失效。靜電力平衡的原理 靜電力（electrostatic force）是靜止帶電體之間的相互作用力。平行板電容器兩極板間的靜電力可以看作是由許多點(diǎn)電荷構(gòu)成的，每一對(duì)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力遵循庫(kù)倫定律。兩個(gè)靜止極板間的靜電力就是構(gòu)成它們的點(diǎn)電荷之間相互作用力的矢量和。靜電力是以電場(chǎng)為媒介傳遞的。懸臂梁壓阻式加速度計(jì)的靜電力擴(kuò)程系統(tǒng)，如下圖所示： 靜電力調(diào)控系統(tǒng)原理圖在上圖中，作為電容器活動(dòng)極板的慣性敏感質(zhì)量塊由懸臂梁支撐，并夾在兩個(gè)固定極板之間，組成一對(duì)差動(dòng)平行板電容器。當(dāng)有加速度a作用時(shí)，活動(dòng)極板將產(chǎn)生偏離0 位（即中間位置）的位移，引起電容變化。變化量C 由檢測(cè)電路檢測(cè)并

7、放大輸出，再由脈沖寬度調(diào)制器感受且產(chǎn)生兩個(gè)調(diào)制信號(hào)和，并反饋到電容器定極板上，引起一個(gè)與偏離位移成正比且總是阻止活動(dòng)極板偏離 0 位的靜電力這就構(gòu)成了脈寬調(diào)制的靜電伺服系統(tǒng)。當(dāng)外界有較大的荷載作用于敏感質(zhì)量塊時(shí)，懸臂梁因受應(yīng)力而彎曲形變，為了使梁不受損壞，需要一個(gè)阻止質(zhì)量塊偏離 0 位的力來(lái)實(shí)現(xiàn)。脈沖寬調(diào)制器產(chǎn)生的兩個(gè)調(diào)制信號(hào)和，單片機(jī)控制的電子開(kāi)關(guān)a、b與電容極板c、d觸點(diǎn)的選擇閉合，把和適時(shí)地加到電容極板上。假設(shè)此時(shí)梁朝下彎曲，即下動(dòng)極板與下固定極板間距 減小d ，上動(dòng)極板與上極板間距 增加d ，在懸臂梁所能承受的形變范圍內(nèi)，將有一個(gè)下限值（防止質(zhì)量塊與極板吸合），此時(shí)要求給下定極板上電，

8、下定極板與下動(dòng)極板間電場(chǎng)力方向與彈性力方向一致，這就必須由電子開(kāi)關(guān)的選擇閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著所加驅(qū)動(dòng)電壓的增大，大部分慣性力將被抵消掉，從而使質(zhì)量塊偏離平衡位置的位移減小，懸臂梁彎曲程度大大減小；同理，當(dāng)懸臂梁朝上彎曲形變，給上定極板上電，上定極板 與上動(dòng)極板間的電場(chǎng)力增大，其方向與此時(shí)的彈性力方向相同，靜電力抵消掉了增加的慣性力。因此，質(zhì)量塊離開(kāi)平衡位置的位移將減小，懸臂梁形變減小，從而有效地保護(hù)了懸臂梁。3. 加速度計(jì)的性能指標(biāo)加速度計(jì)的性能指標(biāo)主要有兩個(gè)：靈敏度和固有頻率。靈敏度是在單位加速度激勵(lì)下，加速度傳感器輸出響應(yīng)（電壓或電流）的大小。一般情況下總是希望靈敏度越高越好，因?yàn)楫a(chǎn)生較大的電

9、信號(hào)對(duì)后面的檢測(cè)電路有利。固有頻率是指當(dāng)懸臂梁沒(méi)有受到外部力和力矩干擾時(shí)，產(chǎn)生的周期性振動(dòng)頻率，所以，固有頻率是系統(tǒng)的固有屬性，它與既定的系統(tǒng)有關(guān)，而與初始條件和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，希望加速度計(jì)的第一階固有頻率越大越好，可以利用ANSYS中的靜態(tài)分析來(lái)考察加速度計(jì)在一定的加速度環(huán)境中，加速度計(jì)懸臂梁的應(yīng)力和應(yīng)變分布，使壓敏電阻工作在彈性形變區(qū)域內(nèi)，從而保證了懸臂梁壓阻式加速度計(jì)的線性和精度。加速度計(jì)的基本參數(shù)包括兩類(lèi)：結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)。結(jié)構(gòu)參數(shù)包括懸臂梁的厚度、長(zhǎng)度、寬度、質(zhì)量塊的高度、質(zhì)量、寬度等參數(shù)。材料參數(shù)包括基底硅的楊氏模量、泊松比、密度。懸臂梁壓阻式加速度傳感器的梁是采用硅

10、材料制作的，測(cè)量電阻是利用擴(kuò)散工藝法制成的半導(dǎo)體擴(kuò)散電阻。而擴(kuò)散工藝涉及到摻雜離子的濃度，而溫度又是影響摻雜離子濃度的一大因素。摻雜離子濃度的變化導(dǎo)致電子遷移率發(fā)生變化，擴(kuò)散電阻的阻值隨之變化。因此，必須考慮半導(dǎo)體材料溫度特性對(duì)加速度傳感器測(cè)量結(jié)果的影響。敏感元件工作時(shí)隨著環(huán)境溫度的變化，其性能參數(shù)也會(huì)有所變化。這種變化雖然微小，可是有時(shí)是不能忽略的，帶來(lái)的誤差需要采取有效的補(bǔ)償措施。 4.硅微加速度傳感器的應(yīng)用情況及前景 慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)在導(dǎo)彈、飛機(jī)、航艦、戰(zhàn)車(chē)等的導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)中，必須要有準(zhǔn)確的速度和位置信息，而加速度傳感器可以在運(yùn)動(dòng)體內(nèi)直接測(cè)量其加速度，進(jìn)而得到速度和位置信息。其測(cè)量精度

11、高、動(dòng)態(tài)性能好。（1）傾斜測(cè)量與調(diào)平系統(tǒng) 在重力場(chǎng)中，加速度傳感器可以測(cè)量重力加速度變化。當(dāng)其敏感軸向垂直于水平面時(shí)，加速度傳感器指示單位重力加速度，若敏感軸向發(fā)生傾斜，輸出為傾斜角度的正弦函數(shù)。利用這一原理，可以用作傾斜測(cè)量和調(diào)平，如火控炮瞄雷達(dá)、防空雷達(dá)的調(diào)平。 此外，還可通過(guò)測(cè)量火車(chē)、汽車(chē)的傾向加速度來(lái)控制傾斜角度，可使其在彎道上仍可高速行駛。 （2）安全防撞系統(tǒng)安全氣囊是提高汽車(chē)行駛安全性的重要部件，通過(guò)對(duì)前撞、后撞或側(cè)撞信息的檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)可造成人生理傷害的加速度值時(shí)，便給出一個(gè)指令，使氣囊迅速充氣，這樣就避免使乘員撞在堅(jiān)硬的部件上而發(fā)生傷亡，大大提高了汽車(chē)的安全性。（3）提高電梯、車(chē)

12、輛等的舒適性 通過(guò)測(cè)量縱向、橫向及垂直加速度，改善車(chē)輛的控制和穩(wěn)定性。加速度傳感器將測(cè)出車(chē)輛顛簸或路面不平引起的垂直加速度輸入懸架控制系統(tǒng)，使顛簸得以降低，大大提高乘坐的舒適性。（4）醫(yī)療器械 心率響應(yīng)式起搏器，它應(yīng)用加速度微傳感器檢測(cè)心臟運(yùn)動(dòng)，然后用高級(jí)的信號(hào)處理技術(shù)將測(cè)得的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)钠鸩┞剩蛊鸩┞逝c病人身體活動(dòng)量的大小成正比。這種形式的起搏器不管是對(duì)小運(yùn)動(dòng)量的運(yùn)動(dòng)，還是對(duì)快速晃動(dòng)那樣的大運(yùn)動(dòng)量的運(yùn)動(dòng)，均能使心率緩慢地變化。5. 參考文獻(xiàn)1孫以材，劉玉嶺，孟慶浩壓力傳感器的設(shè)計(jì)制造與應(yīng)用M北京：冶金工業(yè)出版社，2000，262席占穩(wěn).壓阻式硅微加速度傳感器的研制J.傳感器技術(shù)，2013，22(11)：3133 3李軍俊，劉理天，楊景銘. 新型硅微加速度傳感器的設(shè)計(jì)與制作J. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999，39 (SI)：8487 4汪延成. 仿生蜘蛛振動(dòng)感知的硅微