新型高g值压阻式加速度计设计

发布时间：2021-02-04 18:12

　　提出了一种新型压阻式加速度计结构,采用微杠杆放大质量块的等效惯性力,将微杠杆结构输出端作为压敏电阻梁,采用双边对称结构设置4根差分压敏电阻梁,构成惠斯登电桥进行测量,提升灵敏度。通过有限元ANSYS与COMSOL仿真软件对结构参数进行设计与优化。该加速度计量程为2 000g,具有高谐振频率294 kHz,采用微杠杆结构将应力放大2倍,交叉轴干扰较低,其应力分别为敏感轴的3.8%和4.6%,以及10倍于量程的抗过载能力。最后设计一套基于标准微机电系统（MEMS）的加工工艺流程,基于SOI技术,利用等离子体硅深加工工艺制作压阻式加速度计,并与玻璃衬底阳极键合,提高加速度计可靠性。 

【文章来源】：仪表技术与传感器. 2020,(10)北大核心

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

加速度计结构3D示意图

压阻效应指当半导体受到应力作用时,由于应力引起能带的变化,能谷的能量移动,使其电阻率发生变化的现象[10]。图2给出了所提出的基于压阻效应的加速度计结构正面示意图。设计了I型主体结构,使得中心质量块的4个角分别连接支撑梁,支撑梁另一端与外围的框架结构连接。压阻敏感梁一端连接微杠杆结构的输出端,另一端与外框架连接。如图1的放大部分所示,微杠杆结构分别放置在质量块的上部和下部,构成差分系统。它们在加速度计的前表面形成悬挂,4个压阻敏感梁对称分布在两边。质量块、支撑梁和外围结构的厚度相同,以满足加速度计的固有频率需求。如图3所示,加速度计中有4个压敏电阻(R1～R4),当外部冲击作用于加速度计时,质量块在敏感轴上下移动(z轴),将外界加速度转变为等效惯性力作用于微杠杆,通过微杠杆结构增大敏感梁上的应力变化。当外界加速度向下作用,上部微杠杆中R1和R4压阻敏感梁被拉长,导致R1和R4的电阻增加;下部微杠杆中的R2和R3压阻敏感梁被压缩,导致电阻减小。反之外界加速度向上作用,则上部电阻减小,下部电阻增大。

如图3所示,加速度计中有4个压敏电阻(R1～R4),当外部冲击作用于加速度计时,质量块在敏感轴上下移动(z轴),将外界加速度转变为等效惯性力作用于微杠杆,通过微杠杆结构增大敏感梁上的应力变化。当外界加速度向下作用,上部微杠杆中R1和R4压阻敏感梁被拉长,导致R1和R4的电阻增加;下部微杠杆中的R2和R3压阻敏感梁被压缩,导致电阻减小。反之外界加速度向上作用,则上部电阻减小,下部电阻增大。4个电阻通过表面金属电极相互连接形成惠斯登电桥电路,见图3。输出和输入电压的比率可表示为

【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能氮化铝差分谐振式加速度计的结构设计[J]. 高杨,韩超,雷强.  中国惯性技术学报. 2018(01)
[2]一种新型压阻式微加速度计的研究与设计[J]. 杨江涛,马喜宏,邬琦.  压电与声光. 2015(01)
[3]微机械杠杆力放大效果的计算和提高[J]. 胡淏,董景新,刘云峰,曹宇.  中国惯性技术学报. 2011(01)



本文编号：3018729