压阻式加速度传感器.doc

新型压阻式硅微加速度传感器1. 新颖性 压阻式硅微加速度传感器，因其具有响应快、灵敏度高、精度高、易于小型化等优点，尤其是它的低频响应好，并且该传感器在强辐射作用下能正常工作，对它的研究近年来受到重视。在工业自动控制、汽车、地震测量、军事和空间系统、医学及生物工程等领域中有着广泛的应用前景。在实际生活应用中往往传感器的灵敏度和量程很难做到二者兼优，为了更好地提高压阻式加速度传感器的灵敏度，新型压阻式加速度传感器的量程设计加以改进，利用静电力对其量程进行可调控制。对于一个结构和几何参数确定的悬臂梁式加速度传感器的设计考虑主要在于：其敏感质量块的自由运动范围，制约着它的测量范围。新型压租式硅微加速度传感器采用静电力来抵消部分加速度惯性力，使同样大小的质量块位移量能够代表更大或不同的被测加速度值，从而实现量程可调的目的。2. 传感器工作原理 压阻效应半导体材料的压阻效应是指半导体材料受应力作用时，其电阻率发生变化的物理现象。原因可以解释为：由应变引起能带变形，从而使能带谷中的载流子数也发生相对变化，导致电阻率变化。由半导体电阻理论可知电阻率的相对变化为 式中， 为沿晶向 L 的压阻系数，单位 ； 为沿晶向 L的应力，单位 ；E 为半导体材料的弹性模量，为轴向应变。压阻式加速度传感器工作原理 压阻式加速度传感器的工作原理是：在测量物体加速度时是基于牛顿第二定律，即物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即 a =F/m 。当物体以加速度 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形引起压阻效应，悬臂梁上半导体电阻阻值发生变化致使桥路不平衡，从而输出电压有变化，即可得出加速度 a值的大小。 悬臂梁压阻式加速度计的传感原理悬臂梁压阻式加速度微传感器是通过将加速度产生的作用加到质量块上，并将质量块的移动通过压敏电阻来测量。悬臂梁压阻式加速度微传感器的结构简化图如 下所示。 悬臂梁压阻式加速度计结构简化图1悬臂梁；2扩散电阻；3质量块；4机座外壳 当加速度作用于悬臂梁自由端质量块时，悬臂梁受到弯矩作用产生的应力而发生变形由于硅的压阻效应，各应变电阻的电阻率发生变化，电桥失去平衡，输出电压发生变化，通过测量输出电压的变化可得到被测量的加速度值。新型悬臂梁压阻式加速度计量程改进的依据 压阻式加速度计的工作原理是根据作用在弹性元件上的外力致使其发生形变，引起制作在弹性元件上的应变电阻受到应力其阻值改变，从而输出电信号发生变化。在现有的 MEMS 技术下，尤其是悬臂梁式加速度传感器，悬臂梁多采用硅材料或石英材料制作，悬臂梁结构比较适合于小量程传感器。然而在实际工程中，往往悬臂梁会受到随时间变化的动载荷，甚至是瞬时冲击较大的载荷作用，虽然可以根据载荷作用前后的能量守恒原则，但是当应力超过材料的强度极限时，结构将发生断裂或屈服失效，特别是脆性材料多晶硅制成的悬臂梁在冲击或振动作用下很容易断裂失效。此外，疲劳也将导致结构断裂，构件在交变应力的作用下，即使其应力小于断裂强度，在经过一定次数的交变应力之后也会发生脆性断裂。为了使悬臂梁不被损坏，同时也为了满足不同荷载作用时加速度的准确测量，本文提出了用静电力来抵消部分惯性力，从而使得较小的质量块位移就能代表较大的加速度值，大大降低了梁的弯曲形变。静电力调控基本原理如下式 ，F为敏感质量块受到的加速度惯性力； 悬臂梁弹性形变回复力； 为质量块所处的电容板间的电场力。利用单片机实时调控电容极板间的静电力大小来抵消部分惯性力，最终使敏感质量块的位移距平衡位置的差距不会很大，进而保护了悬臂梁不会被折断或失效。静电力平衡的原理 静电力（electrostatic force）是静止带电体之间的相互作用力。平行板电容器两极板间的静电力可以看作是由许多点电荷构成的，每一对静止点电荷之间的相互作用力遵循库伦定律。两个静止极板间的静电力就是构成它们的点电荷之间相互作用力的矢量和。静电力是以电场为媒介传递的。悬臂梁压阻式加速度计的静电力扩程系统，如下图所示： 静电力调控系统原理图在上图中，作为电容器活动极板的惯性敏感质量块由悬臂梁支撑，并夹在两个固定极板之间，组成一对差动平行板电容器。当有加速度a作用时，活动极板将产生偏离0 位（即中间位置）的位移，引起电容变化。变化量C 由检测电路检测并放大输出，再由脉冲宽度调制器感受且产生两个调制信号和，并反馈到电容器定极板上，引起一个与偏离位移成正比且总是阻止活动极板偏离 0 位的静电力这就构成了脉宽调制的静电伺服系统。当外界有较大的荷载作用于敏感质量块时，悬臂梁因受应力而弯曲形变，为了使梁不受损坏，需要一个阻止质量块偏离 0 位的力来实现。脉冲宽调制器产生的两个调制信号和，单片机控制的电子开关a、b与电容极板c、d触点的选择闭合，把和适时地加到电容极板上。假设此时梁朝下弯曲，即下动极板与下固定极板间距 减小d ，上动极板与上极板间距 增加d ，在悬臂梁所能承受的形变范围内，将有一个下限值（防止质量块与极板吸合），此时要求给下定极板上电，下定极板与下动极板间电场力方向与弹性力方向一致，这就必须由电子开关的选择闭合来实现。随着所加驱动电压的增大，大部分惯性力将被抵消掉，从而使质量块偏离平衡位置的位移减小，悬臂梁弯曲程度大大减小；同理，当悬臂梁朝上弯曲形变，给上定极板上电，上定极板 与上动极板间的电场力增大，其方向与此时的弹性力方向相同，静电力抵消掉了增加的惯性力。因此，质量块离开平衡位置的位移将减小，悬臂梁形变减小，从而有效地保护了悬臂梁。3. 加速度计的性能指标加速度计的性能指标主要有两个：灵敏度和固有频率。灵敏度是在单位加速度激励下，加速度传感器输出响应（电压或电流）的大小。一般情况下总是希望灵敏度越高越好，因为产生较大的电信号对后面的检测电路有利。固有频率是指当悬臂梁没有受到外部力和力矩干扰时，产生的周期性振动频率，所以，固有频率是系统的固有属性，它与既定的系统有关，而与初始条件和运动状态无关。实际应用当中，希望加速度计的第一阶固有频率越大越好，可以利用ANSYS中的静态分析来考察加速度计在一定的加速度环境中，加速度计悬臂梁的应力和应变分布，使压敏电阻工作在弹性形变区域内，从而保证了悬臂梁压阻式加速度计的线性和精度。加速度计的基本参数包括两类：结构参数和材料参数。结构参数包括悬臂梁的厚度、长度、宽度、质量块的高度、质量、宽度等参数。材料参数包括基底硅的杨氏模量、泊松比、密度。悬臂梁压阻式加速度传感器的梁是采用硅材料制作的，测量电阻是利用扩散工艺法制成的半导体扩散电阻。而扩散工艺涉及到掺杂离子的浓度，而温度又是影响掺杂离子浓度的一大因素。掺杂离子浓度的变化导致电子迁移率发生变化，扩散电阻的阻值随之变化。因此，必须考虑半导体材料温度特性对加速度传感器测量结果的影响。敏感元件工作时随着环境温度的变化，其性能参数也会有所变化。这种变化虽然微小，可是有时是不能忽略的，带来的误差需要采取有效的补偿措施。 4.硅微加速度传感器的应用情况及前景 惯性导航和制导系统在导弹、飞机、航舰、战车等的导航制导系统中，必须要有准确的速度和位置信息，而加速度传感器可以在运动体内直接测量其加速度，进而得到速度和位置信息。其测量精度高、动态性能好。（1）倾斜测量与调平系统 在重力场中，加速度传感器可以测量重力加速度变化。当其敏感轴向垂直于水平面时，加速度传感器指示单位重力加速度，若敏感轴向发生倾斜，输出为倾斜角度的正弦函数。利用这一原理，可以用作倾斜测量和调平，如火控炮瞄雷达、防空雷达的调平。 此外，还可通过测量火车、汽车的倾向加速度来控制倾斜角度，可使其在弯道上仍可高速行驶。 （2）安全防撞系统安全气囊是提高汽车行驶安全性的重要部件，通过对前撞、后撞或侧撞信息的检测，当出现可造成人生理伤害的加速度值时，便给出一个指令，使气囊迅速充气，这样就避免使乘员撞在坚硬的部件上而发生伤亡，大大提高了汽车的安全性。（3）提高电梯、车辆等的舒适性 通过测量纵向、横向及垂直加速度，改善车辆的控制和稳定性。加速度传感器将测出车辆颠簸或路面不平引起的垂直加速度输入悬架控制系统，使颠簸得以降低，大大提高乘坐的舒适性。（4）医疗器械 心率响应式起搏器，它应用加速度微传感器检测心脏运动，然后用高级的信号处理技术将测得的加速度信号转换成适当的起博率，使起博率与病人身体活动量的大小成正比。这种形式的起搏器不管是对小运动量的运动，还是对快速晃动那样的大运动量的运动，均能使心率缓慢地变化。5. 参考文献1孙以材，刘玉岭，孟庆浩压力传感器的设计制造与应用M北京：冶金工业出版社，2000，262席占稳.压阻式硅微加速度传感器的研制J.传感器技术，2013，22(11)：3133 3李军俊，刘理天，杨景铭. 新型硅微加速度传感器的设计与制作J. 清华大学学报（自然科学版），1999，39 (SI)：8487 4汪延成. 仿生蜘蛛振动感知的硅微