提出了一種新型壓阻式加速度計結(jié)構(gòu),采用微杠桿放大質(zhì)量塊的等效慣性力,將微杠桿結(jié)構(gòu)輸出端作為壓敏電阻梁,采用雙邊對稱結(jié)構(gòu)設(shè)置4根差分壓敏電阻梁,構(gòu)成惠斯登電橋進行測量,提升靈敏度。通過有限元ANSYS與COMSOL仿真軟件對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計與優(yōu)化。該加速度計量程為2 000g,具有高諧振頻率294 kHz,采用微杠桿結(jié)構(gòu)將應(yīng)力放大2倍,交叉軸干擾較低,其應(yīng)力分別為敏感軸的3.8%和4.6%,以及10倍于量程的抗過載能力。最后設(shè)計一套基于標準微機電系統(tǒng)（MEMS）的加工工藝流程,基于SOI技術(shù),利用等離子體硅深加工工藝制作壓阻式加速度計,并與玻璃襯底陽極鍵合,提高加速度計可靠性。 

【文章來源】：儀表技術(shù)與傳感器. 2020,(10)北大核心

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

加速度計結(jié)構(gòu)3D示意圖

壓阻效應(yīng)指當半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時,由于應(yīng)力引起能帶的變化,能谷的能量移動,使其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象[10]。圖2給出了所提出的基于壓阻效應(yīng)的加速度計結(jié)構(gòu)正面示意圖。設(shè)計了I型主體結(jié)構(gòu),使得中心質(zhì)量塊的4個角分別連接支撐梁,支撐梁另一端與外圍的框架結(jié)構(gòu)連接。壓阻敏感梁一端連接微杠桿結(jié)構(gòu)的輸出端,另一端與外框架連接。如圖1的放大部分所示,微杠桿結(jié)構(gòu)分別放置在質(zhì)量塊的上部和下部,構(gòu)成差分系統(tǒng)。它們在加速度計的前表面形成懸掛,4個壓阻敏感梁對稱分布在兩邊。質(zhì)量塊、支撐梁和外圍結(jié)構(gòu)的厚度相同,以滿足加速度計的固有頻率需求。如圖3所示,加速度計中有4個壓敏電阻(R1～R4),當外部沖擊作用于加速度計時,質(zhì)量塊在敏感軸上下移動(z軸),將外界加速度轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃T性力作用于微杠桿,通過微杠桿結(jié)構(gòu)增大敏感梁上的應(yīng)力變化。當外界加速度向下作用,上部微杠桿中R1和R4壓阻敏感梁被拉長,導(dǎo)致R1和R4的電阻增加;下部微杠桿中的R2和R3壓阻敏感梁被壓縮,導(dǎo)致電阻減小。反之外界加速度向上作用,則上部電阻減小,下部電阻增大。

如圖3所示,加速度計中有4個壓敏電阻(R1～R4),當外部沖擊作用于加速度計時,質(zhì)量塊在敏感軸上下移動(z軸),將外界加速度轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃T性力作用于微杠桿,通過微杠桿結(jié)構(gòu)增大敏感梁上的應(yīng)力變化。當外界加速度向下作用,上部微杠桿中R1和R4壓阻敏感梁被拉長,導(dǎo)致R1和R4的電阻增加;下部微杠桿中的R2和R3壓阻敏感梁被壓縮,導(dǎo)致電阻減小。反之外界加速度向上作用,則上部電阻減小,下部電阻增大。4個電阻通過表面金屬電極相互連接形成惠斯登電橋電路,見圖3。輸出和輸入電壓的比率可表示為

【參考文獻】：
期刊論文
[1]高性能氮化鋁差分諧振式加速度計的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 高楊,韓超,雷強.  中國慣性技術(shù)學(xué)報. 2018(01)
[2]一種新型壓阻式微加速度計的研究與設(shè)計[J]. 楊江濤,馬喜宏,鄔琦.  壓電與聲光. 2015(01)
[3]微機械杠桿力放大效果的計算和提高[J]. 胡淏,董景新,劉云峰,曹宇.  中國慣性技術(shù)學(xué)報. 2011(01)



本文編號：3018729