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徽机械加速度传感器 摘要 基于微机械加工技术的压阻式加速度传感器是一类很重要的传感器。传感器 的量程最低可到2g ，最高500g ，线性度一般为02%至1%，横向效应一般在 1%至3%。小量程加速度传感器在实际中有较为广泛的用途，如汽车ABS系统、 制导系统等都需要高精确度的小量程传感器。低量程高线性的加速度传感器除可 作为加速度传感器外，还可以应用于倾角仪等。 论文的第一章对微机械加工技术、MEMS器件及其应用和微机械加速度传感 器的研究、以及薄膜应力作用的一般规律进行了综述，总结了MEMS技术的应用 前景及微机械压阻式加速度传感器的研究进展。 第二章详细论述具有悬臂梁结构的压阻式加速度传感器芯片的工作原理、分 析计算了器件的静态、动态特性和温度性能，在此基础上确定了结构参数。并对 横向效应和温度效应的补偿进行了理论计算，结果表明此种结构的三种横向效应 中主要是由于质量块(岛)质心偏离梁中平面，沿梁伸展方向((x 向)惯性力分量 产生的弯矩。 1 应用背景 加速度传感器被广泛地应用于各类运动过程的监控系统中，早期的加速度传 感器大多为机械弹簧式，体积大，响应慢，测量精度低.可靠性差，尤其在自动 化程度高的系统中与电子电路的接口较差而影响着系统的工作可靠性。 1979年，由Rolance和Angel l报道了第一篇关于在硅片上利用微机械加 [2] 工技术制作的加速度传感器 ，标志着加速度传感器的发展进入了一个新的阶段， 小型化、智能化、集成化己成为加速度传感器的发展方向。硅微加速度传感器的 基本结构是利用1C工艺和体微机械加工技术，制作可动质最块结构，该质量块 可以敏感加速度的影响，相对于固定件运动，偏离原平衡点，使得平衡状态被打 一乱。通过特殊设计的外围电路检测这种非平衡态并转换为相应的电信号输出， 在标定了输出电信号与加速度的对应关系后，即可测量加速度的大小根据非平衡 态的敏感原理，微机械加速度传感器大致有以卜几种:压阻式、压电式、谐振器 式、电容式、热电偶式、光纤式和电磁式等等。其中，以妹阻式和电容式为微机 械加速度传感器的主流产品。 1、压阻式加速度传感器 从阻式硅微机械加速度传感器于70年代末Roylartce等研制成功以后，经 过十年左右时间，发展成熟。80年代末IC-Sensor和Lucas Nova Sensor等公 司都能批量生产。传感器的一早程最低可到±2g，最高±500g，线性度一般为 0.2%至1%，横向效应一般在 1%至3%，对于小于10g的小量程，这两种参数要差 一些，线性度为2%。小量程加速度传感器在实际中有较为广泛的用途，如汽车 ABS系统需要量程±1g的传感器，制导系统需要高精确度的小量程传感器。低量 程高线性的加速度传感器除可作为加速度传感器外，还可以应用于倾角仪等。 图1-1 （a） 单质量块加速度计结构 图1-2 （b） 双质量块加速度计结构 压阻式传感器以半导体的压阻效应为基础，常用压阻式加速度传感器的结构 图如图所示，图a所示为单质量块结构的加速度传感器，图b所示为双质量块结 构加速度传感器。质量块一般通过悬臂梁或连结梁支撑悬挂，通过离子注入线扩 散工艺在梁上沿110晶向制作压敏电阻。当传感器感受加速度运动时，质量块 产生偏移，带动支撑梁产生扭曲或弯曲等形变，在电阻中产生应力变化:由于半 导体的压阻效应，压敏电阻发生变化，利用适当的外围电路将这种变化转换为可 测量信号，如电压、电流等形式输出，经过定标就可建立输山信号与被测加速度 之间的关系，从而测量加速度。 压阻式加速度传感器是最常用的类型之一它的优点在于动态响应特性及输 出线性较好，且成本低、工艺简单，接口电路简单。缺点在于压敏电阻属于温度 型器件，受温度影响较大，为了提高器件的灵敏度，压敏电阻一般设计成惠斯登 电桥结构，这样也同时可消除掉一部分的温度效应。此外，在加工过程中残留在 梁上、基座上的应力分布也会对压敏电阻产生影响。一般说来，采用连接梁的结 构，对横向加速度响应较小，也会使灵敏度有所降低:而悬臂梁结构往往可以用 于高灵敏度的器件，但悬臂梁结构存在着很高的横向响应，造成器件对被测加速 度方向的不确定度增大。 制作压阻式加速度传感器的梁一岛结构，一般是采用各向