基于MEMS的硅微壓阻式加速度傳感器的設(shè)計(jì)

硅微加速度傳感器是。MEMS器件中的一個(gè)重要分支，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。由于硅微加速度傳感器具有響應(yīng)快、靈敏度高、精度高、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，而且該種傳感器在強(qiáng)輻射作用下能正常工作，使其近年來(lái)發(fā)展迅速。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)對(duì)硅微傳感器的研究起步較晚，所做的工作主要集中在硅微加速度傳感器的加工制造和理論研究。文中以雙端固支式硅微加速度傳感器為研究對(duì)象，借助Aasys軟件對(duì)其性能進(jìn)行仿真分析，從而選出性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式。

1 傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理
壓阻式加速度傳感器是最早開發(fā)的硅微加速度傳感器，彈性元件的結(jié)構(gòu)形式一般均采用微機(jī)械加工技術(shù)形成硅梁外加質(zhì)量塊的形式，利用壓阻效應(yīng)來(lái)檢測(cè)加速度。在雙端固支梁結(jié)構(gòu)中，質(zhì)量塊像活塞一樣上下運(yùn)動(dòng)，該結(jié)構(gòu)形式的傳感器示意圖，如圖1所示。

2 壓阻式加速度傳感器
壓阻式加速度傳感器是最早開發(fā)的硅微型加速度傳感器，也是當(dāng)前使用較多的一種。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)斯坦福大學(xué)的Roylance和Angell發(fā)表了第一篇介紹硅微型加速度傳感器的文章后，全硅傳感器開始問世。隨著對(duì)硅微型加速度計(jì)原理研究的深入以及工藝實(shí)現(xiàn)的多樣性，硅微型加速度傳感器的種類日益繁多，各種應(yīng)用于不同場(chǎng)合下的硅微型加速度計(jì)層出不窮，對(duì)硅微型加速度計(jì)的研究也越來(lái)越受到人們的重視。
壓阻式加速度傳感器體積小、頻率范圍寬、測(cè)量加速度的范圍寬，直接輸出電壓信號(hào)，不需要復(fù)雜的電路接口，大批量生產(chǎn)時(shí)價(jià)格低廉，可重復(fù)生產(chǎn)性好，可直接測(cè)量連續(xù)的加速度和穩(wěn)態(tài)加速度，但對(duì)溫度的漂移較大，對(duì)安裝和其它應(yīng)力也較敏感，它不具備某些低gn值測(cè)量時(shí)所需的準(zhǔn)確度。

3 壓阻式硅微加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式
3．1 結(jié)構(gòu)形式
壓阻式加速度傳感器的彈性元件一般采用硅梁外加質(zhì)量塊，質(zhì)量塊由懸臂梁支撐，并在懸臂梁上制作電阻，連接成測(cè)量電橋。在慣性力作用下質(zhì)量塊上下運(yùn)動(dòng)，懸臂梁上電阻的阻值隨應(yīng)力的作用而發(fā)生變化，引起測(cè)量電橋輸出電壓變化，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的測(cè)量。
壓阻式硅微加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)形式有很多種，已有懸臂梁、雙臂梁、4梁和雙島-5梁等結(jié)構(gòu)形式。彈性元件的結(jié)構(gòu)形式及尺寸決定傳感器的靈敏度、頻響、量程等。質(zhì)量塊能夠在較小的加速度作用下，使得懸臂梁上的應(yīng)力較大，提高傳感器的輸出靈敏度。在大加速度下，質(zhì)量塊的作用可能會(huì)使懸臂梁上的應(yīng)力超過屈服應(yīng)力，變形過大，致使懸臂梁斷裂。為此高gn值加速度擬采用質(zhì)量塊和梁厚相等的單臂梁和雙臂梁的結(jié)構(gòu)形式，如圖1和圖2所示。