第10章-加速度G傳感器課件

第10章加速度(G)傳感器10.1加速度傳感器工作原理概述10.2鋼球式加速度傳感器10.3半導體加速度傳感器10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感器第10章加速度(G)傳感器10.1加速度傳感器工作原理概110.1加速度傳感器工作原理概述10.1.1“滑翔機牌”車氣囊用加速度傳感器包括“滑翔機牌”車在內的豐田車多數都將三種G傳感器組合起來用作氣囊傳感器，這三種傳感器是:前氣囊傳感器、中央氣囊傳感器及輔助傳感器。前氣囊傳感器是由殼體、偏心錘、固定觸頭及旋轉觸頭構成.下一頁返回10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.1“滑翔機牌”210.1加速度傳感器工作原理概述偏心錘式加速度傳感器的工作原理:因旋轉觸頭與偏心轉子是一個整體式結構，在彈簧預壓力的作用下，偏心轉子和偏心錘都靠在擋塊上，擋塊與外殼也是一個整體結構，固定觸頭與旋轉觸頭處于斷開狀態(tài)。但當受到沖擊有減速度加到傳感器上時，與偏心轉子為一體的旋轉觸頭旋轉，并與固定觸頭連通，輸出ON信號.輔助傳感器的結構與前安全氣囊用傳感器的結構相同。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述偏心錘式加速度傳感310.1加速度傳感器工作原理概述另一個傳感器是中央安全氣囊傳感器，它所采用的是內裝于微機中、長期可得到穩(wěn)定工作特性的半導體型G傳感器。其結構采用的為懸臂支撐方式。通過測量碰撞形成的測量元件的應變，再將其轉換成電信號，這種傳感器的特點是:對減速具有線性輸出特性，超過預先所設定的數值時，則輸出ON信號.上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述另一個傳感器是中央410.1加速度傳感器工作原理概述10.1.2“塞普達”車安全氣囊用傳感器“塞普達”車與“滑翔機牌”采用同樣的安全氣囊，但所用傳感器不同，“塞普達”車用前安全氣囊傳感器的結構稱為滾軸式傳感器，它是由滾柱、片簧及擋銷等構成的，其中滾柱和旋轉觸頭制為一個合件，片簧和固定觸點制為一個合件.在傳感器不起作用時，在片簧預加載荷的作用下，滾柱靠在擋銷上，固定觸頭與旋轉觸頭處于斷開狀態(tài)。當加有沖擊時，在慣性力的作用下，滾柱轉動，與滾柱成為合件的旋轉觸頭移動，當其與固定觸頭接觸時，對外輸出ON信號。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.2“塞普達”510.1加速度傳感器工作原理概述10.1.3“花冠”車安全氣囊用傳感器與豐田公司其他車型不同，“花冠”車安全氣囊的傳感器均為機械式.在傳感器未動作時，觸發(fā)軸與點火銷是靠在一起的，點火銷不是處于彈出狀態(tài)。因碰撞、減速度增加、慣性力高于偏置彈簧的彈力及阻尼力時，鋼球開始移動，阻尼力是指在鋼球與球套之間存在著氣隙的氣流形成的阻力。在減速度繼續(xù)升高時，鋼球使觸發(fā)軸轉動，點火銷與觸發(fā)軸之間脫開配合。此時，在點火彈簧彈力的作用下，點火銷彈出，使氣體發(fā)生器內的點火劑點火。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.3“花冠”車610.1加速度傳感器工作原理概述10.1.4“森鐵阿”牌車安全氣囊用傳感器“森鐵阿”牌車安全氣囊用傳感器分為兩種，即車前方的加速度傳感器和輔助傳感器。加速度傳感器的結構是由測量減速度的傳感球，將傳感球保持到某加速度為止的永磁鐵，對傳感球運動提供空氣阻尼器作用的導缸及二極端子構成的。

上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.4“森鐵阿”710.1加速度傳感器工作原理概述傳感器不動作時，在永久磁鐵磁力的作用下，傳感球被吸引，維持于傳感器的后部，因此觸頭之間處于開路狀態(tài)即OFF狀態(tài)。當碰撞后，有相當大的慣性力作用到加速度傳感器上時，傳感球克服了永久磁鐵的磁力，脫開永久磁鐵的吸引，滾向前方，因此，觸點之間處于閉合狀態(tài)，輸出ON信號.上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述傳感器不動作時，在810.1加速度傳感器工作原理概述10.1.5“西維克”牌車安全氣囊用傳感器西維克牌車安全氣囊用傳感器分主傳感器和輔助傳感器兩種，前者為氣體阻尼型，后者為笛簧開關型，這兩種傳感器均內裝于轉向器轎車輔助保護系統(tǒng)(SRS)中。主傳感器的本體內裝于封有惰性氣體的金屬殼中，且采用了耐久性非常好的鍍金觸頭。主傳感器的工作原理:當前方受到強烈沖擊時，在克服了彈簧彈力與阻尼力后，在慣性力的作用下，重塊即動觸頭滑動，與觸頭接觸，傳感器有ON信號輸出。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.5“西維克”910.1加速度傳感器工作原理概述輔助傳感器為笛簧開關型，玻璃管內充入了惰性氣體，觸點采用了鍍金與鍍鍺工藝。當傳感器受到前方的強烈沖擊，動作時，在慣性力作用下，永久磁鐵滑動、笛簧開關閉合(ON)。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述輔助傳感器為笛簧開1010.1加速度傳感器工作原理概述10.1.6“陸地巡洋艦”牌車ABS用加速度傳感器普通簡稱為4WD車的就是四輪驅動車，有時4個車輪大致是同相位減速的，特別是在低μ道路上，這種趨向更加顯著，因而這種ABS控制是不可靠的，所以采用了G傳感器，視道路狀態(tài)是高μ或是低μ，改變運算方法，這才是可靠的ABA系統(tǒng).上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.6“陸地巡洋1110.1加速度傳感器工作原理概述“陸地巡洋艦”牌車的G傳感器是由兩組發(fā)光二極管、光敏三極管、信號板及變換電路構成的.當減速度加到車身上時，由減速度所產生的慣性力使信號板旋轉，由發(fā)光二極管至光敏三極管的光通路或者暢通、或者被隔斷，由此光敏三極管或導通(ONE、或截止(OFF).本節(jié)介紹的傳感器上有兩套發(fā)光二極管與光敏三極管，根據各自的光敏三極管的ON與OFF的組合，可以將減速度分為三個檔次來檢測。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述“陸地巡洋艦”牌車1210.1加速度傳感器工作原理概述10.1.7“帕杰羅”牌車ABS用G傳感器“帕杰羅”牌車CBS采用了檢測位移量的差動變壓器型傳感器作為G傳感器，傳感器內設有向激磁線圈供給交流電的振蕩電路及檢測線圈整流電路用的控制電路。此外，為了防止差動變壓器中可動線圈的振動，在G傳感器內密封有硅油。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.7“帕杰羅”1310.1加速度傳感器工作原理概述利用差動變壓器檢測位移的工作原理如下所述:輸出電壓相同但極性相反的兩組線圈串聯，且鐵芯處于中間位置時，次級繞組所感應的交流電壓相等;當兩個次級繞組的波形相位相反時，其輸出電壓為零;當減速度加在傳感器上，鐵芯偏離中間位置時，兩個次級繞組上的感應電壓不同，放大器上就會產生與其差值成正比的交流電壓。利用這一現象，通過將鐵芯的位移量變換成正、負直流電壓值，就可知道鐵芯的位移(即加速度的大小)。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述利用差動變壓器檢測1410.1加速度傳感器工作原理概述10.1.8“?，敗?WD車用G傳感器?，?WD車具有牽引力控制、ABS功能，因此車上設置了檢測車輛前、后加速度的傳感器及檢測橫向加速度的橫G傳感器。樹脂外殼內充滿了硅油，永久磁鐵置于中間，當車輛加、減速時，形成了永久磁鐵的位移，此位移通過霍爾元件變換成電信號，再輸入到控制組件中。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.8“?，敗?1510.1加速度傳感器工作原理概述10.1.9“藍鳥”4WD車ABS用G傳感器“藍鳥”4WD車ABS用G傳感器，在玻璃管中充入了水銀，在減速度比較小時(在低μ路上制動時)，因為水銀不移動，所以電路仍保持閉合;對行車的前進方向來說，在減速度比較大的場合下(在高μ道路上制動時)，在慣性力的作用下，水銀移動，電路處于斷開(OFF)狀態(tài)，由此就可以判別出是較小減速(低μ路)還是較大減速(高μ路)，并將其信號輸入到控制組件中去。上一頁返回10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.9“藍鳥”41610.2鋼球式加速度傳感器10.2.1車用加速度傳感器的規(guī)格(1)加速度的檢測范圍。在一般行車狀況下，急停車時車身前后方向的加速度小于0.5g。車輛前后方向能夠產生的最大加速度是1.1g橫向最大加速是0.8g，上下方向最大加速度是2g，根據這些數據可以看出，加速度的檢測范圍達-1.5~+1.5就夠了。關于傳感器的頻率范圍，使人感到不舒服的主要頻率范圍是到7Hz為止，因此一般要求到10Hz為止的范圍增益、相位都應該為平坦特性。返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器10.2.1車用加速度傳感器的1710.2鋼球式加速度傳感器(2)基本輸出特性?；据敵鎏匦允侵敢?guī)定加到傳感器上的加速度與輸出電壓之間的關系。從車輛上已普及的電路元件、電路的構成來考慮，用+5v單電源驅動的A/D變換器比較合適，所以，一般對輸出特性規(guī)定:有效利用區(qū)域為0~5V.

上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器(2)基本輸出特性。基本1810.2鋼球式加速度傳感器(3)各項基本特性。加速度傳感器性能的主要項目及其內容如下所述。①非線性特性。②靈敏度偏差。③垂直軸靈敏度。④溫度漂移。⑤頻率特性。上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器(3)各項基本特性。加速度傳感1910.2鋼球式加速度傳感器(4)可靠性。對車輛來說，可靠性項目中特別重要的有以下3點。①耐跌落性。②高溫性能。③抗干擾性能。上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器(4)可靠性。對車輛來說2010.2鋼球式加速度傳感器10.2.2鋼球式加速度傳感器的結構與檢測原理傳感器由加速度檢測部分和檢測電路組成，它們被集中在30.5mmx32mmx36mm的外殼內，下面以此傳感器的特點為中心，對其結構、檢測原理加以說明。上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器10.2.2鋼球式加速度傳感2110.2鋼球式加速度傳感器(1)檢測部分的結構。傳感器的剖面圖如圖10一1所示，傳感器的檢測部分是由鋼球、一對永久磁鐵、差動變壓器線圈及扼鐵構成，利用一對永久磁鐵支撐的鋼球按照球套的軸向加速度改變位置，利用線圈將鋼球位置的變化檢測出來，并以此作為測得的加速度。此外，從減小體積而又有較大磁引力以及耐久性(長時間使用后變得老化)的角度采用了衫鉆系列的稀土類永久磁鐵.上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器(1)檢測部分的結構。傳2210.2鋼球式加速度傳感器(2)鋼球的磁場力支撐。鋼球式加速度傳感器的本質特征可以說是慣性質量(鋼球)的磁場支撐。①線圈骨架的軸向磁場力。②骨架軸與垂直方向的磁場力。上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器(2)鋼球的磁場力支撐。2310.2鋼球式加速度傳感器(3)差動變壓器。差動變壓器的原理如圖10-2所示。差動變壓器是由激磁方的初級繞組與檢測方的次級繞組組成的，因次級繞組的連接極性不同，所以其兩端形成了差動輸出，與次級繞組交鏈的磁通隨鋼球位置而變化，由此可以檢測出鋼球位置與移動方向。上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器(3)差動變壓器。差動變2410.2鋼球式加速度傳感器(4)檢測電路。檢測電路的方框圖如圖10一3所示，檢測電路應用了可減小傳感器體積的表面封裝技術，而且采用專用的集成電路片，其上包括了大部分的電子元件，因采取了這兩項措施，線路板的尺寸可減少到29mmx29mm。①基準電壓電路。②振蕩電路。③AC放大電路。④同步整流電路。⑤輸出信號的濾波電路。上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器(4)檢測電路。檢測電路2510.2鋼球式加速度傳感器10.2.3鋼球式加速度傳感器的外形鋼球式加速度傳感器的外形如圖10-4所示，實際裝車時，有些車型是通過蓋子固定的。車的橫向用、前后用與上下方向用傳感器僅是安裝方向的不同，基本方面并無差別，但傳感器內部的調整(電路的調整等)有一定區(qū)別。上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器10.2.3鋼球式加速度傳感2610.2鋼球式加速度傳感器10.2.4鋼球式加速度傳感器的性能與可靠性(1)傳感器的性能。傳感器的各項性能見表10一1。

從使產品更加完善的角度概括說明下列幾點。①滯后。②關于溫度漂移。

(2)可靠性。為使產品更加完善，對需注意的兩點稍加說明①抗干擾性能。②耐熱沖擊性能。上一頁返回10.2鋼球式加速度傳感器10.2.4鋼球式加速度傳感2710.3半導體加速度傳感器10.3.1半導體加速度傳感器的基本結構與工作原理本節(jié)介紹的傳感器是用于汽車防抱死制動系統(tǒng)的半導體加速度傳感器。它采用的是塑料外殼，另外設有傳感元件，混合集成電路以及防干擾濾波器(EMI濾波器)等?；旌霞呻娐穳K上設有低溫偏置漂移型倒裝式運算放大器。傳感元件的結構如圖10一5所示。加速度檢測部分的硅片如圖10一6(a)所示，加速度檢測部分的等效電路如圖10一6(b)所示。返回下一頁10.3半導體加速度傳感器10.3.1半導體加速度傳感器2810.3半導體加速度傳感器

因為要將加速度形成的慣性力變換成位移(應變)，將半導體硅片制成懸臂梁結構，為提高靈敏度將硅片固定端附近的一部分作等方向腐蝕，減薄其厚度的同時，在其自由端附加有配重。在已被腐蝕的薄層上面，為了檢測應變，同時考慮到結晶方向，配置了4個具有壓電效應的應變片，配線狀況，保證它們連接成橋式電路，根據慣性力所形成的應變，壓電電阻的阻值發(fā)生變化，利用橋式電路將這種阻值的變化以電壓變化形式檢測出來。此外為調整傳感器的動態(tài)特性，在金屬殼內封入有硅油，傳感元件結構的模型圖如圖10-7所示。上一頁返回下一頁10.3半導體加速度傳感器因為要將加速度形成的慣性2910.3半導體加速度傳感器10.3.2頻率特性加速度傳感器的頻率特性取決于下式所示振動系統(tǒng)中的元件共振頻率fn與衰減系數ζ，應注意到，在應檢測的加速度信號頻率范圍及溫度環(huán)境下，增益特性與相位特性應是平頂的。

式中，m為振動系統(tǒng)質量;k為振動系統(tǒng)彈簧常數;λ為阻尼系數。上一頁返回下一頁10.3半導體加速度傳感器10.3.2頻率特性上一頁返3010.3半導體加速度傳感器10.3.3信號放大與溫度補償電路(1)電路的構成。傳感元件的靈敏度較低，輸出信號的大小與溫度有很大關系，所以需要有放大電路、溫度補償電路。加速度傳感器所用的電路如圖10一8所示。此電路中所用的運算放大器，是專為加速度傳感器設計的，所以輸入偏置電壓的溫度偏移非常小，屬于四級型運算放大器。后面要講到，修正偏置及靈敏度溫度特性的部件為一具有線性溫度系數的P型半導體電阻，該半導體與運算放大器都集成于單片式集成電路上?；旌霞呻娐肪褪怯蓡纹呻娐贰⒑衲る娮杓疤沾呻娙萜鳂嫵傻?。上一頁返回下一頁10.3半導體加速度傳感器10.3.3信號放大與溫度補3110.3半導體加速度傳感器(2)溫度補償方法。溫度補償電路擔負傳感元件偏置溫度特性的補償及靈敏度的溫度特性補償作用。靈敏度溫度特性的補償方式與半導體壓力傳感器采用的方式是一樣的。加速度傳感器采用具有新偏置溫度特性的補償電路，這種溫度特性的補償電路如圖10一9所示.

上一頁返回下一頁10.3半導體加速度傳感器(2)溫度補償方法。溫度3210.3半導體加速度傳感器采用舊溫度補償方式與本節(jié)所述溫度補償方式后的誤差比較如圖10一10所示。如前所述，采用舊的溫度補償方式時，與測量電阻的平方關系溫度系數相關的補償誤差與無補償時的溫度特性的二次方有關系的成分合計起來剩余23%，但采用新補償方式時，這些都得到了補償，補償誤差約降低到2%。上一頁返回下一頁10.3半導體加速度傳感器采用舊溫度補償方式與本節(jié)3310.3半導體加速度傳感器10.3.4加速度傳感器的各項特性加速度傳感器的各項特性(典型值)見表10一2。通過設置高精度的溫度補償電路，可以作到偏置輸出與溫度的關系為±3%FS，靈敏度與溫度的關系為±1%FS。

從上面的說明中可以看出，通過采用高精度的溫度補償電路和低輸入的偏置溫度漂移運算放大器，可以得到溫度特性優(yōu)秀，經濟性好的半導體加速度傳感器。上一頁返回10.3半導體加速度傳感器10.3.4加速度傳感器的各3410.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.4.1前言近幾年來，在汽車市場上，安全氣囊及ABS等安全設備大體上已成為標準配置，伴隨而來的是對控制這些安全設備的傳感器的迫切要求。采用MEMS技術的超小型加速度傳感器就是響應這種要求而出現的。當前，各廠家都在努力地進行開發(fā)與研究，特別是迫切希望生產出低價格、高精度，而且高耐環(huán)境性的、低G用的加速度傳感器。返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.4.1前言3510.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感要想開發(fā)小型化的芯片，就要完成以下這些課題:(1)熱應力將使偏置電壓變化增大的問題(2)回路放大器會引起偏置電壓的變化增大的問題(3)傳感器靈敏度的下降造成輸出溫度特性變差的問題為了解決上述問題，本節(jié)所介紹的傳感器采用了下述措施:(a)改進管芯與封裝的結構(b)采用IC與新的溫度特性補償方法上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感要想開發(fā)小3610.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感具體來說，采用了熱應力難以傳輸到傳感器芯片的結構，開發(fā)了新的封裝方法，減少傳感器芯片自身偏置電壓的變化，通過采取這些措施，實現了高耐環(huán)境性。此外，重新開發(fā)了采用專用ASIC數字調整方式，在獲得高精度輸出特性的同時，通過采用斬波放大器進一步提高了耐環(huán)境性.上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感具體來說，3710.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.4.2加速度傳感器芯片

(1)傳感器芯片的結構與檢測原理。半導體壓電電阻式加速度傳感器的芯片結構如圖10-11所示，這種芯片是在硅片上形成懸臂梁的，利用擴散工藝在橫梁(即懸臂梁)的表面上排列壓電電阻，在形成懸臂梁時，采用ICP蝕刻技術的目的是減小芯片的尺寸。

上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.4.2加3810.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感傳感部位的硅片通過各陽極實現結合，利用結合用的上部玻璃、下部玻璃實施保護，其目的是防止加速度過高時造成重塊破損以及防塵用。橫梁上的壓電電阻按惠斯頓電橋方式連接，如圖10一12所示。當存在加速度時，重塊向上或向下移動、橫梁產生撓曲，由于這時會形成變形，所以壓電電阻的阻值改變、橋式電路的平衡被破壞，傳感器的輸出電壓氣，發(fā)生變化。這種變化被IC電路放大，因此可以得到所需要的輸出電壓。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感傳感部位的3910.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(2)傳感器存在的難題。在半導體壓電電阻式加速度傳感器上，當加速度引起橫梁產生撓度變形時，壓電電阻值發(fā)生變化，由此使傳感器的輸出發(fā)生變化。當加速度之外的原因產生的應力(以下稱干擾應力)加在傳感器芯片上時，壓電電阻值也會變化值變化就會產生誤差，導致精度下降，在長時間使用時，從初始狀態(tài)干擾應力變化時就發(fā)生變化，這樣就無法得到較高的可靠性。與加速度不同，干擾應力所引起的輸出電壓的變化，是以靜態(tài)方式加到傳感器上的，所以是以傳感器的偏置電壓發(fā)生變化的形式表現出來。從減小偏置電壓發(fā)生變化的角度，本文所述傳感器所采取的措施如下。①傳感器芯片本身采取沒有初始變形的結構。②采用干擾應力難以傳輸到傳感器芯片的結構。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(2)傳感4010.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(3)減少傳感器芯片的初始變形。因為傳感器芯片是將硅片的上下兩側玻璃、采用陽極結合法而構成的，所以在初始狀態(tài)下就存在有各種造成變形的原因。在這些變形原因之中，對偏置電壓影響最大的因素是熱應力，特別是玻璃與硅之間的線膨脹系數的不同，在陽極結上形成的殘余應力是變形的主要原因。因此對玻璃與硅的結合部位進行熱應力解析，使結合形狀實現最佳化，這樣做的目的是實現芯片自身為無初始變形的結構。具體來講，是以接合的長度為參數，找出偏置電壓的零電平點之后，再決定接合長度。

上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(3)減少4110.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感進行解析時所采用的方法是:著眼于壓電電阻部位和與其近距離的上部玻璃和硅的陽極接合部位，從設計自由度較高的接合長度L為參數進行解析。其計算方法是:利用三維熱應力解析軟件計算從接合溫度(400℃)起到室溫時的溫度變化所產生的熱應力的分布，再將壓電電阻位置的應力值換算成電阻的變化，求出偏置電壓的變化。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感進行解析時4210.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(4)外部干擾應力的對策。芯片在外殼上的裝配狀態(tài)以及在印刷電路板上的裝配狀態(tài)的剖面圖，如圖10一13所示。芯片與陶瓷外殼的底面是用柔軟的硅鉆結劑接合在一起的，然后將此封裝件再用焊錫裝配在玻璃環(huán)氧樹脂底板上。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(4)外部4310.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感芯片裝配在外殼及玻璃環(huán)氧樹脂底板的狀態(tài)下，當周圍溫度發(fā)生變化時，所產生的熱應力傳播到芯片壓電電阻部位時，往往就會產生變形。當熱應力較大時，即使降到原來的溫度，由于殘留有塑性變形，偏置電壓也無法回到原來的數值，稱這種現象為輸出滯后。此外，當溫度反復變化時，由于塑性變形的累積，偏置電壓會出現漂移，因此，如果能夠實現熱應力難以傳遞到芯片上的結構的話，就可以降低輸出滯后現象，同時還可以抑制偏置電壓的變化。由此采取以下的措施。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感芯片裝配在4410.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感第一，加厚下部玻璃的厚度，這樣做的目的是為了吸收外殼與芯片之間所產生的熱應力。第二，為了吸收外殼與裝配在外殼上的玻璃環(huán)氧底板之間所產生的熱應力，在外殼底曲的芯片裝配的周圍形成一個應力緩和槽。這是為了減小焊錫所連接的兩者之間線膨脹系數非常大時所產生的熱應力的措施。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感第一，加厚4510.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(5)試驗結果。以上述設計為基礎，制作傳感器芯片與外殼，測定熱應力引起的偏置電壓的變化。對其進行溫度循環(huán)試驗時(20℃→85℃→20℃→-40℃→20℃)，測定偏置電壓的輸出滯后，所得結果如圖10-14所示。這里所說的輸出滯后是以第一個20℃下的偏置電壓為基準，從85℃降到20℃之后與從-40℃升到20℃的偏置電壓中較大的值來定義的。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(5)試驗4610.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感此外，進行熱沖擊試驗(100℃一40℃氣相)測試偏置電壓的變化，所得結果如圖10-15所示。從這些結果來看，通過增加底座的厚度，進而設置應力緩和槽就可以抑制熱應力引起的偏置電壓的變化。此外，還可以確認到輸出滯后與偏置電壓變化之間的關系。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感此外，進行4710.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.4.3數字調整IC(1)IC概述。在半導體壓電電阻式加速度傳感器上，芯片的輸出電壓僅有每9.8m/s2(1G)數毫伏一十幾毫伏，而周圍溫度變化所引起的特性的變化有百分之幾十。對加速度傳感器輸出電壓特性的要求是每9.8m/s2(1G)時為1~2V，而且精度也要在百分之幾之內。因此就有必要采用具有高增益、其放大倍數可以調整的放大電路，以及偏置電壓可以調整或者是偏置電壓、靈敏度分別進行溫度補償的電路。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.4.3數4810.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感為了滿足這些性能的要求，在老式溫度加速度傳感器上對陶瓷底板上所形成的厚膜電阻，采用激光調整的辦法，對輸出電壓特性進行調整。但是新開發(fā)的傳感器芯片上，由于采用了小型化，傳感器的靈敏度，即每9.8m/s2(1G)的輸出電壓僅是老式產品的1/3，因此，作為加速度傳感器來說，要想得到同樣的輸出電壓特性、電路的放大系數就需要提高到其的3倍左右。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感為了滿足這4910.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感此外，為了滿足用戶對輸出特性的高精度要求，不僅放大系數要高，而且偏置電壓與放大用調整電路以及抵消偏置電壓、靈敏度各溫度特性的補償電路，同樣也需要具有高精度調整功能;進一步從放大的耐環(huán)境特性方面，也需要具有較高的可靠性，在本節(jié)所述的新型加速度傳感器上采用了新開發(fā)的傳感器芯片。這種專用的IC采用了數字調整方式以實現高精度的調整，同時其也具有高可靠性。IC的內部電路如圖10-16所示.上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感此外，為5010.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(2)放大電路的難點。如前所述，老式加速度傳感器是利用激光調整陶瓷底板上厚膜電阻的方法來調整輸出電壓的。但是，這種方法在調整時，厚膜電阻上會產生微小的裂紋，在實際使用時，由于反復的加熱與冷卻，微小裂紋的加劇將造成電阻值的變化，結果偏置電壓與電路的放大系數發(fā)生變化，進而溫度會造成這些參數的變化。因此長時間使用時，就難以保證有較高的可靠性。此外，由于IC也是在硅片上制成的，傳感器芯片同樣也會受到外部應力的影響，這時放大部分的偏置電壓發(fā)生變化，與傳感器的輸出同樣，被放大的偏置電壓也會發(fā)生變化。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(2)放大5110.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(3)IC的特點。本節(jié)介紹的IC的特點如下第一采用了帶易熔線的PROM第二，在部分放大電路上采用了偏置電壓長期穩(wěn)定性特別優(yōu)秀的斬波放大器。第三，為了得到高精度的輸出特性，采用了既能補償傳感器芯片偏置電壓溫度特性，也能補償靈敏度溫度特性的雙成分補償電路.上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(3)IC5210.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.4.4制作結果10.4.4.1整體結構下面對這種ABS用加速度傳感器的整體結構加以說明。這種加速度傳感器的外觀如圖10一17所示。傳感器芯片、ASIC以及裝配這些部件的印刷電路底板都裝在與插接器形成一個整體的樹脂殼體的內部。然后，將加速度傳感器與金屬支架鉚在一起，再安裝于車輛上。樹脂殼體上設有與其整體成型的輸入、輸出端子，對印刷電路底板起著支撐、固定作用，并具有輸入、輸出電信號的功能。此外還具有防止外部粉塵、水分的作用。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.4.4制5310.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.4.4.2評價結果上面介紹的就是，裝在應力緩和結構的外殼內的加速度傳感器芯片的與數字調整IC組合成ABS用加速度傳感器的概況對這種傳感器的初始特性與可靠性進行試驗，所得結果分別于表10一3、表10一4所示。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.45410.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.4.5結論上面介紹的加速度傳感器的特點是:以傳感器芯片的玻璃部位的接合長度為參數，求出其偏置電壓的零電平點，由此決定接合部位長度，這樣可以將偏置電壓的變化控制到最小值，此外，這種傳感器采用了應力可緩和的外殼，同時采用了數字式調整與斬波放大器的專用IC，由此，在熱沖擊試驗以及各種可靠性試驗中，偏置電壓的變化都在士3%FS以下，即開發(fā)出高可靠性MEMS加速度傳感器。同時，對于傳感器芯片溫度特性的二次成分也可以進行補償，所以實現了在-40℃~85℃這一寬范圍溫度量程上的補償溫度特性可低到士2%FS，也即實現了高精度輸出特性。上一頁返回10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.4.5結55表10一1鋼球式加速度傳感器的性能返回表10一1鋼球式加速度傳感器的性能返回56表10一2半導體加速度傳感器的各項特性(典型值)返回表10一2半導體加速度傳感器的各項特性(典型值)返回57表10一3制造結果(初始特性)返回表10一3制造結果(初始特性)返回58表10一4可靠性試驗結果返回表10一4可靠性試驗結果返回59圖10一1傳感器的剖面圖返回圖10一1傳感器的剖面圖返回60圖10一2差動變壓器的原理圖返回圖10一2差動變壓器的原理圖返回61圖10一3檢測電路的方框圖返回圖10一3檢測電路的方框圖返回62圖10一4鋼球式加速度傳感器的外形返回圖10一4鋼球式加速度傳感器的外形返回63圖10一5傳感元件的結構返回圖10一5傳感元件的結構返回64圖10一6加速度檢測部分的結構返回圖10一6加速度檢測部分的結構返回65圖10一7傳感元件的模型圖返回圖10一7傳感元件的模型圖返回66圖10一8信號放大與溫度補償電路返回圖10一8信號放大與溫度補償電路返回67圖10一9具有新溫度特性的補償電路返回圖10一9具有新溫度特性的補償電路返回68圖10一10新、舊溫度補償方式下殘余補償誤差的對比返回圖10一10新、舊溫度補償方式下殘余補償誤差的對比返回69圖10一11傳感器芯片的結構返回圖10一11傳感器芯片的結構返回70圖10一12傳感器芯片電路圖返回圖10一12傳感器芯片電路圖返回71圖10一13封裝的結構返回圖10一13封裝的結構返回72圖10一14溫度變化所引起的輸出滯后返回圖10一14溫度變化所引起的輸出滯后返回73圖10一15熱沖擊試驗所引起的偏置電壓的變化返回圖10一15熱沖擊試驗所引起的偏置電壓的變化返回74圖10一16數字調整IC的內部電路返回圖10一16數字調整IC的內部電路返回75圖10一17印刷電路板上的裝配狀況返回圖10一17印刷電路板上的裝配狀況返回76第10章加速度(G)傳感器10.1加速度傳感器工作原理概述10.2鋼球式加速度傳感器10.3半導體加速度傳感器10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感器第10章加速度(G)傳感器10.1加速度傳感器工作原理概7710.1加速度傳感器工作原理概述10.1.1“滑翔機牌”車氣囊用加速度傳感器包括“滑翔機牌”車在內的豐田車多數都將三種G傳感器組合起來用作氣囊傳感器，這三種傳感器是:前氣囊傳感器、中央氣囊傳感器及輔助傳感器。前氣囊傳感器是由殼體、偏心錘、固定觸頭及旋轉觸頭構成.下一頁返回10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.1“滑翔機牌”7810.1加速度傳感器工作原理概述偏心錘式加速度傳感器的工作原理:因旋轉觸頭與偏心轉子是一個整體式結構，在彈簧預壓力的作用下，偏心轉子和偏心錘都靠在擋塊上，擋塊與外殼也是一個整體結構，固定觸頭與旋轉觸頭處于斷開狀態(tài)。但當受到沖擊有減速度加到傳感器上時，與偏心轉子為一體的旋轉觸頭旋轉，并與固定觸頭連通，輸出ON信號.輔助傳感器的結構與前安全氣囊用傳感器的結構相同。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述偏心錘式加速度傳感7910.1加速度傳感器工作原理概述另一個傳感器是中央安全氣囊傳感器，它所采用的是內裝于微機中、長期可得到穩(wěn)定工作特性的半導體型G傳感器。其結構采用的為懸臂支撐方式。通過測量碰撞形成的測量元件的應變，再將其轉換成電信號，這種傳感器的特點是:對減速具有線性輸出特性，超過預先所設定的數值時，則輸出ON信號.上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述另一個傳感器是中央8010.1加速度傳感器工作原理概述10.1.2“塞普達”車安全氣囊用傳感器“塞普達”車與“滑翔機牌”采用同樣的安全氣囊，但所用傳感器不同，“塞普達”車用前安全氣囊傳感器的結構稱為滾軸式傳感器，它是由滾柱、片簧及擋銷等構成的，其中滾柱和旋轉觸頭制為一個合件，片簧和固定觸點制為一個合件.在傳感器不起作用時，在片簧預加載荷的作用下，滾柱靠在擋銷上，固定觸頭與旋轉觸頭處于斷開狀態(tài)。當加有沖擊時，在慣性力的作用下，滾柱轉動，與滾柱成為合件的旋轉觸頭移動，當其與固定觸頭接觸時，對外輸出ON信號。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.2“塞普達”8110.1加速度傳感器工作原理概述10.1.3“花冠”車安全氣囊用傳感器與豐田公司其他車型不同，“花冠”車安全氣囊的傳感器均為機械式.在傳感器未動作時，觸發(fā)軸與點火銷是靠在一起的，點火銷不是處于彈出狀態(tài)。因碰撞、減速度增加、慣性力高于偏置彈簧的彈力及阻尼力時，鋼球開始移動，阻尼力是指在鋼球與球套之間存在著氣隙的氣流形成的阻力。在減速度繼續(xù)升高時，鋼球使觸發(fā)軸轉動，點火銷與觸發(fā)軸之間脫開配合。此時，在點火彈簧彈力的作用下，點火銷彈出，使氣體發(fā)生器內的點火劑點火。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.3“花冠”車8210.1加速度傳感器工作原理概述10.1.4“森鐵阿”牌車安全氣囊用傳感器“森鐵阿”牌車安全氣囊用傳感器分為兩種，即車前方的加速度傳感器和輔助傳感器。加速度傳感器的結構是由測量減速度的傳感球，將傳感球保持到某加速度為止的永磁鐵，對傳感球運動提供空氣阻尼器作用的導缸及二極端子構成的。

上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.4“森鐵阿”8310.1加速度傳感器工作原理概述傳感器不動作時，在永久磁鐵磁力的作用下，傳感球被吸引，維持于傳感器的后部，因此觸頭之間處于開路狀態(tài)即OFF狀態(tài)。當碰撞后，有相當大的慣性力作用到加速度傳感器上時，傳感球克服了永久磁鐵的磁力，脫開永久磁鐵的吸引，滾向前方，因此，觸點之間處于閉合狀態(tài)，輸出ON信號.上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述傳感器不動作時，在8410.1加速度傳感器工作原理概述10.1.5“西維克”牌車安全氣囊用傳感器西維克牌車安全氣囊用傳感器分主傳感器和輔助傳感器兩種，前者為氣體阻尼型，后者為笛簧開關型，這兩種傳感器均內裝于轉向器轎車輔助保護系統(tǒng)(SRS)中。主傳感器的本體內裝于封有惰性氣體的金屬殼中，且采用了耐久性非常好的鍍金觸頭。主傳感器的工作原理:當前方受到強烈沖擊時，在克服了彈簧彈力與阻尼力后，在慣性力的作用下，重塊即動觸頭滑動，與觸頭接觸，傳感器有ON信號輸出。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.5“西維克”8510.1加速度傳感器工作原理概述輔助傳感器為笛簧開關型，玻璃管內充入了惰性氣體，觸點采用了鍍金與鍍鍺工藝。當傳感器受到前方的強烈沖擊，動作時，在慣性力作用下，永久磁鐵滑動、笛簧開關閉合(ON)。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述輔助傳感器為笛簧開8610.1加速度傳感器工作原理概述10.1.6“陸地巡洋艦”牌車ABS用加速度傳感器普通簡稱為4WD車的就是四輪驅動車，有時4個車輪大致是同相位減速的，特別是在低μ道路上，這種趨向更加顯著，因而這種ABS控制是不可靠的，所以采用了G傳感器，視道路狀態(tài)是高μ或是低μ，改變運算方法，這才是可靠的ABA系統(tǒng).上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.6“陸地巡洋8710.1加速度傳感器工作原理概述“陸地巡洋艦”牌車的G傳感器是由兩組發(fā)光二極管、光敏三極管、信號板及變換電路構成的.當減速度加到車身上時，由減速度所產生的慣性力使信號板旋轉，由發(fā)光二極管至光敏三極管的光通路或者暢通、或者被隔斷，由此光敏三極管或導通(ONE、或截止(OFF).本節(jié)介紹的傳感器上有兩套發(fā)光二極管與光敏三極管，根據各自的光敏三極管的ON與OFF的組合，可以將減速度分為三個檔次來檢測。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述“陸地巡洋艦”牌車8810.1加速度傳感器工作原理概述10.1.7“帕杰羅”牌車ABS用G傳感器“帕杰羅”牌車CBS采用了檢測位移量的差動變壓器型傳感器作為G傳感器，傳感器內設有向激磁線圈供給交流電的振蕩電路及檢測線圈整流電路用的控制電路。此外，為了防止差動變壓器中可動線圈的振動，在G傳感器內密封有硅油。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.7“帕杰羅”8910.1加速度傳感器工作原理概述利用差動變壓器檢測位移的工作原理如下所述:輸出電壓相同但極性相反的兩組線圈串聯，且鐵芯處于中間位置時，次級繞組所感應的交流電壓相等;當兩個次級繞組的波形相位相反時，其輸出電壓為零;當減速度加在傳感器上，鐵芯偏離中間位置時，兩個次級繞組上的感應電壓不同，放大器上就會產生與其差值成正比的交流電壓。利用這一現象，通過將鐵芯的位移量變換成正、負直流電壓值，就可知道鐵芯的位移(即加速度的大小)。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述利用差動變壓器檢測9010.1加速度傳感器工作原理概述10.1.8“?，敗?WD車用G傳感器?，?WD車具有牽引力控制、ABS功能，因此車上設置了檢測車輛前、后加速度的傳感器及檢測橫向加速度的橫G傳感器。樹脂外殼內充滿了硅油，永久磁鐵置于中間，當車輛加、減速時，形成了永久磁鐵的位移，此位移通過霍爾元件變換成電信號，再輸入到控制組件中。上一頁返回下一頁10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.8“?，敗?9110.1加速度傳感器工作原理概述10.1.9“藍鳥”4WD車ABS用G傳感器“藍鳥”4WD車ABS用G傳感器，在玻璃管中充入了水銀，在減速度比較小時(在低μ路上制動時)，因為水銀不移動，所以電路仍保持閉合;對行車的前進方向來說，在減速度比較大的場合下(在高μ道路上制動時)，在慣性力的作用下，水銀移動，電路處于斷開(OFF)狀態(tài)，由此就可以判別出是較小減速(低μ路)還是較大減速(高μ路)，并將其信號輸入到控制組件中去。上一頁返回10.1加速度傳感器工作原理概述10.1.9“藍鳥”49210.2鋼球式加速度傳感器10.2.1車用加速度傳感器的規(guī)格(1)加速度的檢測范圍。在一般行車狀況下，急停車時車身前后方向的加速度小于0.5g。車輛前后方向能夠產生的最大加速度是1.1g橫向最大加速是0.8g，上下方向最大加速度是2g，根據這些數據可以看出，加速度的檢測范圍達-1.5~+1.5就夠了。關于傳感器的頻率范圍，使人感到不舒服的主要頻率范圍是到7Hz為止，因此一般要求到10Hz為止的范圍增益、相位都應該為平坦特性。返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器10.2.1車用加速度傳感器的9310.2鋼球式加速度傳感器(2)基本輸出特性。基本輸出特性是指規(guī)定加到傳感器上的加速度與輸出電壓之間的關系。從車輛上已普及的電路元件、電路的構成來考慮，用+5v單電源驅動的A/D變換器比較合適，所以，一般對輸出特性規(guī)定:有效利用區(qū)域為0~5V.

上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器(2)基本輸出特性?；?410.2鋼球式加速度傳感器(3)各項基本特性。加速度傳感器性能的主要項目及其內容如下所述。①非線性特性。②靈敏度偏差。③垂直軸靈敏度。④溫度漂移。⑤頻率特性。上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器(3)各項基本特性。加速度傳感9510.2鋼球式加速度傳感器(4)可靠性。對車輛來說，可靠性項目中特別重要的有以下3點。①耐跌落性。②高溫性能。③抗干擾性能。上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器(4)可靠性。對車輛來說9610.2鋼球式加速度傳感器10.2.2鋼球式加速度傳感器的結構與檢測原理傳感器由加速度檢測部分和檢測電路組成，它們被集中在30.5mmx32mmx36mm的外殼內，下面以此傳感器的特點為中心，對其結構、檢測原理加以說明。上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器10.2.2鋼球式加速度傳感9710.2鋼球式加速度傳感器(1)檢測部分的結構。傳感器的剖面圖如圖10一1所示，傳感器的檢測部分是由鋼球、一對永久磁鐵、差動變壓器線圈及扼鐵構成，利用一對永久磁鐵支撐的鋼球按照球套的軸向加速度改變位置，利用線圈將鋼球位置的變化檢測出來，并以此作為測得的加速度。此外，從減小體積而又有較大磁引力以及耐久性(長時間使用后變得老化)的角度采用了衫鉆系列的稀土類永久磁鐵.上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器(1)檢測部分的結構。傳9810.2鋼球式加速度傳感器(2)鋼球的磁場力支撐。鋼球式加速度傳感器的本質特征可以說是慣性質量(鋼球)的磁場支撐。①線圈骨架的軸向磁場力。②骨架軸與垂直方向的磁場力。上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器(2)鋼球的磁場力支撐。9910.2鋼球式加速度傳感器(3)差動變壓器。差動變壓器的原理如圖10-2所示。差動變壓器是由激磁方的初級繞組與檢測方的次級繞組組成的，因次級繞組的連接極性不同，所以其兩端形成了差動輸出，與次級繞組交鏈的磁通隨鋼球位置而變化，由此可以檢測出鋼球位置與移動方向。上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器(3)差動變壓器。差動變10010.2鋼球式加速度傳感器(4)檢測電路。檢測電路的方框圖如圖10一3所示，檢測電路應用了可減小傳感器體積的表面封裝技術，而且采用專用的集成電路片，其上包括了大部分的電子元件，因采取了這兩項措施，線路板的尺寸可減少到29mmx29mm。①基準電壓電路。②振蕩電路。③AC放大電路。④同步整流電路。⑤輸出信號的濾波電路。上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器(4)檢測電路。檢測電路10110.2鋼球式加速度傳感器10.2.3鋼球式加速度傳感器的外形鋼球式加速度傳感器的外形如圖10-4所示，實際裝車時，有些車型是通過蓋子固定的。車的橫向用、前后用與上下方向用傳感器僅是安裝方向的不同，基本方面并無差別，但傳感器內部的調整(電路的調整等)有一定區(qū)別。上一頁返回下一頁10.2鋼球式加速度傳感器10.2.3鋼球式加速度傳感10210.2鋼球式加速度傳感器10.2.4鋼球式加速度傳感器的性能與可靠性(1)傳感器的性能。傳感器的各項性能見表10一1。

從使產品更加完善的角度概括說明下列幾點。①滯后。②關于溫度漂移。

(2)可靠性。為使產品更加完善，對需注意的兩點稍加說明①抗干擾性能。②耐熱沖擊性能。上一頁返回10.2鋼球式加速度傳感器10.2.4鋼球式加速度傳感10310.3半導體加速度傳感器10.3.1半導體加速度傳感器的基本結構與工作原理本節(jié)介紹的傳感器是用于汽車防抱死制動系統(tǒng)的半導體加速度傳感器。它采用的是塑料外殼，另外設有傳感元件，混合集成電路以及防干擾濾波器(EMI濾波器)等?；旌霞呻娐穳K上設有低溫偏置漂移型倒裝式運算放大器。傳感元件的結構如圖10一5所示。加速度檢測部分的硅片如圖10一6(a)所示，加速度檢測部分的等效電路如圖10一6(b)所示。返回下一頁10.3半導體加速度傳感器10.3.1半導體加速度傳感器10410.3半導體加速度傳感器

因為要將加速度形成的慣性力變換成位移(應變)，將半導體硅片制成懸臂梁結構，為提高靈敏度將硅片固定端附近的一部分作等方向腐蝕，減薄其厚度的同時，在其自由端附加有配重。在已被腐蝕的薄層上面，為了檢測應變，同時考慮到結晶方向，配置了4個具有壓電效應的應變片，配線狀況，保證它們連接成橋式電路，根據慣性力所形成的應變，壓電電阻的阻值發(fā)生變化，利用橋式電路將這種阻值的變化以電壓變化形式檢測出來。此外為調整傳感器的動態(tài)特性，在金屬殼內封入有硅油，傳感元件結構的模型圖如圖10-7所示。上一頁返回下一頁10.3半導體加速度傳感器因為要將加速度形成的慣性10510.3半導體加速度傳感器10.3.2頻率特性加速度傳感器的頻率特性取決于下式所示振動系統(tǒng)中的元件共振頻率fn與衰減系數ζ，應注意到，在應檢測的加速度信號頻率范圍及溫度環(huán)境下，增益特性與相位特性應是平頂的。

式中，m為振動系統(tǒng)質量;k為振動系統(tǒng)彈簧常數;λ為阻尼系數。上一頁返回下一頁10.3半導體加速度傳感器10.3.2頻率特性上一頁返10610.3半導體加速度傳感器10.3.3信號放大與溫度補償電路(1)電路的構成。傳感元件的靈敏度較低，輸出信號的大小與溫度有很大關系，所以需要有放大電路、溫度補償電路。加速度傳感器所用的電路如圖10一8所示。此電路中所用的運算放大器，是專為加速度傳感器設計的，所以輸入偏置電壓的溫度偏移非常小，屬于四級型運算放大器。后面要講到，修正偏置及靈敏度溫度特性的部件為一具有線性溫度系數的P型半導體電阻，該半導體與運算放大器都集成于單片式集成電路上。混合集成電路就是由單片集成電路、厚膜電阻及陶瓷電容器構成的。上一頁返回下一頁10.3半導體加速度傳感器10.3.3信號放大與溫度補10710.3半導體加速度傳感器(2)溫度補償方法。溫度補償電路擔負傳感元件偏置溫度特性的補償及靈敏度的溫度特性補償作用。靈敏度溫度特性的補償方式與半導體壓力傳感器采用的方式是一樣的。加速度傳感器采用具有新偏置溫度特性的補償電路，這種溫度特性的補償電路如圖10一9所示.

上一頁返回下一頁10.3半導體加速度傳感器(2)溫度補償方法。溫度10810.3半導體加速度傳感器采用舊溫度補償方式與本節(jié)所述溫度補償方式后的誤差比較如圖10一10所示。如前所述，采用舊的溫度補償方式時，與測量電阻的平方關系溫度系數相關的補償誤差與無補償時的溫度特性的二次方有關系的成分合計起來剩余23%，但采用新補償方式時，這些都得到了補償，補償誤差約降低到2%。上一頁返回下一頁10.3半導體加速度傳感器采用舊溫度補償方式與本節(jié)10910.3半導體加速度傳感器10.3.4加速度傳感器的各項特性加速度傳感器的各項特性(典型值)見表10一2。通過設置高精度的溫度補償電路，可以作到偏置輸出與溫度的關系為±3%FS，靈敏度與溫度的關系為±1%FS。

從上面的說明中可以看出，通過采用高精度的溫度補償電路和低輸入的偏置溫度漂移運算放大器，可以得到溫度特性優(yōu)秀，經濟性好的半導體加速度傳感器。上一頁返回10.3半導體加速度傳感器10.3.4加速度傳感器的各11010.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.4.1前言近幾年來，在汽車市場上，安全氣囊及ABS等安全設備大體上已成為標準配置，伴隨而來的是對控制這些安全設備的傳感器的迫切要求。采用MEMS技術的超小型加速度傳感器就是響應這種要求而出現的。當前，各廠家都在努力地進行開發(fā)與研究，特別是迫切希望生產出低價格、高精度，而且高耐環(huán)境性的、低G用的加速度傳感器。返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.4.1前言11110.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感要想開發(fā)小型化的芯片，就要完成以下這些課題:(1)熱應力將使偏置電壓變化增大的問題(2)回路放大器會引起偏置電壓的變化增大的問題(3)傳感器靈敏度的下降造成輸出溫度特性變差的問題為了解決上述問題，本節(jié)所介紹的傳感器采用了下述措施:(a)改進管芯與封裝的結構(b)采用IC與新的溫度特性補償方法上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感要想開發(fā)小11210.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感具體來說，采用了熱應力難以傳輸到傳感器芯片的結構，開發(fā)了新的封裝方法，減少傳感器芯片自身偏置電壓的變化，通過采取這些措施，實現了高耐環(huán)境性。此外，重新開發(fā)了采用專用ASIC數字調整方式，在獲得高精度輸出特性的同時，通過采用斬波放大器進一步提高了耐環(huán)境性.上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感具體來說，11310.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.4.2加速度傳感器芯片

(1)傳感器芯片的結構與檢測原理。半導體壓電電阻式加速度傳感器的芯片結構如圖10-11所示，這種芯片是在硅片上形成懸臂梁的，利用擴散工藝在橫梁(即懸臂梁)的表面上排列壓電電阻，在形成懸臂梁時，采用ICP蝕刻技術的目的是減小芯片的尺寸。

上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.4.2加11410.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感傳感部位的硅片通過各陽極實現結合，利用結合用的上部玻璃、下部玻璃實施保護，其目的是防止加速度過高時造成重塊破損以及防塵用。橫梁上的壓電電阻按惠斯頓電橋方式連接，如圖10一12所示。當存在加速度時，重塊向上或向下移動、橫梁產生撓曲，由于這時會形成變形，所以壓電電阻的阻值改變、橋式電路的平衡被破壞，傳感器的輸出電壓氣，發(fā)生變化。這種變化被IC電路放大，因此可以得到所需要的輸出電壓。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感傳感部位的11510.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(2)傳感器存在的難題。在半導體壓電電阻式加速度傳感器上，當加速度引起橫梁產生撓度變形時，壓電電阻值發(fā)生變化，由此使傳感器的輸出發(fā)生變化。當加速度之外的原因產生的應力(以下稱干擾應力)加在傳感器芯片上時，壓電電阻值也會變化值變化就會產生誤差，導致精度下降，在長時間使用時，從初始狀態(tài)干擾應力變化時就發(fā)生變化，這樣就無法得到較高的可靠性。與加速度不同，干擾應力所引起的輸出電壓的變化，是以靜態(tài)方式加到傳感器上的，所以是以傳感器的偏置電壓發(fā)生變化的形式表現出來。從減小偏置電壓發(fā)生變化的角度，本文所述傳感器所采取的措施如下。①傳感器芯片本身采取沒有初始變形的結構。②采用干擾應力難以傳輸到傳感器芯片的結構。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(2)傳感11610.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(3)減少傳感器芯片的初始變形。因為傳感器芯片是將硅片的上下兩側玻璃、采用陽極結合法而構成的，所以在初始狀態(tài)下就存在有各種造成變形的原因。在這些變形原因之中，對偏置電壓影響最大的因素是熱應力，特別是玻璃與硅之間的線膨脹系數的不同，在陽極結上形成的殘余應力是變形的主要原因。因此對玻璃與硅的結合部位進行熱應力解析，使結合形狀實現最佳化，這樣做的目的是實現芯片自身為無初始變形的結構。具體來講，是以接合的長度為參數，找出偏置電壓的零電平點之后，再決定接合長度。

上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(3)減少11710.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感進行解析時所采用的方法是:著眼于壓電電阻部位和與其近距離的上部玻璃和硅的陽極接合部位，從設計自由度較高的接合長度L為參數進行解析。其計算方法是:利用三維熱應力解析軟件計算從接合溫度(400℃)起到室溫時的溫度變化所產生的熱應力的分布，再將壓電電阻位置的應力值換算成電阻的變化，求出偏置電壓的變化。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感進行解析時11810.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(4)外部干擾應力的對策。芯片在外殼上的裝配狀態(tài)以及在印刷電路板上的裝配狀態(tài)的剖面圖，如圖10一13所示。芯片與陶瓷外殼的底面是用柔軟的硅鉆結劑接合在一起的，然后將此封裝件再用焊錫裝配在玻璃環(huán)氧樹脂底板上。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(4)外部11910.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感芯片裝配在外殼及玻璃環(huán)氧樹脂底板的狀態(tài)下，當周圍溫度發(fā)生變化時，所產生的熱應力傳播到芯片壓電電阻部位時，往往就會產生變形。當熱應力較大時，即使降到原來的溫度，由于殘留有塑性變形，偏置電壓也無法回到原來的數值，稱這種現象為輸出滯后。此外，當溫度反復變化時，由于塑性變形的累積，偏置電壓會出現漂移，因此，如果能夠實現熱應力難以傳遞到芯片上的結構的話，就可以降低輸出滯后現象，同時還可以抑制偏置電壓的變化。由此采取以下的措施。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感芯片裝配在12010.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感第一，加厚下部玻璃的厚度，這樣做的目的是為了吸收外殼與芯片之間所產生的熱應力。第二，為了吸收外殼與裝配在外殼上的玻璃環(huán)氧底板之間所產生的熱應力，在外殼底曲的芯片裝配的周圍形成一個應力緩和槽。這是為了減小焊錫所連接的兩者之間線膨脹系數非常大時所產生的熱應力的措施。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感第一，加厚12110.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(5)試驗結果。以上述設計為基礎，制作傳感器芯片與外殼，測定熱應力引起的偏置電壓的變化。對其進行溫度循環(huán)試驗時(20℃→85℃→20℃→-40℃→20℃)，測定偏置電壓的輸出滯后，所得結果如圖10-14所示。這里所說的輸出滯后是以第一個20℃下的偏置電壓為基準，從85℃降到20℃之后與從-40℃升到20℃的偏置電壓中較大的值來定義的。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感(5)試驗12210.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感此外，進行熱沖擊試驗(100℃一40℃氣相)測試偏置電壓的變化，所得結果如圖10-15所示。從這些結果來看，通過增加底座的厚度，進而設置應力緩和槽就可以抑制熱應力引起的偏置電壓的變化。此外，還可以確認到輸出滯后與偏置電壓變化之間的關系。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感此外，進行12310.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.4.3數字調整IC(1)IC概述。在半導體壓電電阻式加速度傳感器上，芯片的輸出電壓僅有每9.8m/s2(1G)數毫伏一十幾毫伏，而周圍溫度變化所引起的特性的變化有百分之幾十。對加速度傳感器輸出電壓特性的要求是每9.8m/s2(1G)時為1~2V，而且精度也要在百分之幾之內。因此就有必要采用具有高增益、其放大倍數可以調整的放大電路，以及偏置電壓可以調整或者是偏置電壓、靈敏度分別進行溫度補償的電路。上一頁返回下一頁10.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感10.4.3數12410.4高精度高可靠性MEMS加速度傳感為了滿足這些性能的要求，在老式溫度加速度傳感器上對陶瓷底板上所形成的厚膜電阻，采用激光調整的辦法，對輸出電壓特性進行調整。但是新開發(fā)的傳感器