微型加速度傳感器原理

加速度傳感器是一種慣性傳感器，一般由敏感元件、交換元件、測(cè)量電路三部分組成，可用如下框圖表示:根據(jù)傳感器敏感元件和轉(zhuǎn)換原件的不同，加速度傳感器可以分為電容式、壓電式、光纖式、壓阻式等類(lèi)型。1.電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器可以將振動(dòng)位移參量的變化轉(zhuǎn)變成為電容量的變化，其基本敏感機(jī)理比較簡(jiǎn)單。如圖所示，上下極板為固定電容極板具有公共電極，中間質(zhì)量塊為可動(dòng)電容極板。當(dāng)有外界振動(dòng)時(shí)可動(dòng)極板跟隨振動(dòng)，從而改變電容。上下電容同時(shí)改變，但是變化方向相反，稱為差動(dòng)式。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍較大，最大位移和最小位移之比可大，如果采用差動(dòng)測(cè)量方法數(shù)值增大一倍，靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、穩(wěn)定性好。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，影響穩(wěn)定性的因素少、無(wú)內(nèi)部和外部的各種摩擦和接觸應(yīng)力誤差，對(duì)溫度變化的固有敏感性低。采用MEMS有關(guān)工藝制成的微加速度計(jì)，其敏感芯片的體積僅5mill見(jiàn)方，和成人的小指甲蓋大小差不多，比采用精密機(jī)械加工成的加速度計(jì)小12個(gè)數(shù)量級(jí)。由于其質(zhì)量小，因此能承受高沖擊，實(shí)驗(yàn)測(cè)試這種原理的微加速度計(jì)在不加電狀態(tài)下X、Y、Z三個(gè)方向至少可以承受數(shù)百乃至數(shù)千g以上的沖擊。2.壓電加速度傳感器壓電傳感器的工作原理是基于某些晶體材料的壓電效應(yīng)，它是一種無(wú)源式傳感器，直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。壓電效應(yīng)分為正向壓電效應(yīng)和逆向壓電效應(yīng)。正向壓電效應(yīng)是指當(dāng)晶體受到某固定方向外力作用時(shí)，相應(yīng)的在一定品體表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力作用消失時(shí)，品體表面的電荷也會(huì)隨著消失。當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。品體受力產(chǎn)生的電荷量與外力大小成正比。逆向壓電效應(yīng)是指當(dāng)某晶體沿一定方向受到電場(chǎng)作用時(shí)，相應(yīng)的在一定晶軸方向產(chǎn)生機(jī)械形變或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去后機(jī)械形變或機(jī)械應(yīng)力也消失。如圖所示的是利用壓電效應(yīng)的壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖：I.基座2?大絕緣套3,導(dǎo)電盤(pán)4凡鈕片5,小絕緣套6.質(zhì)量塊.7.預(yù)紫螺母(a)中心壓縮型 0)平面豹切型壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖中心壓縮型壓電傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，相同質(zhì)量情況下能得到較高的固有頻率，成本較低，壓電元件一般由兩片組成。在剪切型壓電傳感器中，平面剪切型結(jié)構(gòu)能承受相對(duì)較高的沖擊加速度，中心柱、壓電元件和質(zhì)量塊均做成平板形，左右壓電元件通過(guò)橫向螺栓固緊在中心立柱上。與中心壓縮型相比，剪切型結(jié)構(gòu)對(duì)非振動(dòng)因素具有較好的隔離性，具有更好的靜態(tài)特性，更高的信噪比和寬的高低頻特性。在剪切型結(jié)構(gòu)中，壓電片受剪切力，高沖擊產(chǎn)生的剪切力較大，這就需要有較大的橫向預(yù)緊力，這對(duì)壓電片和預(yù)緊螺桿螺母的強(qiáng)度要求很高，其抗沖擊能力和頻響沒(méi)有中心壓縮型的好。3.壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器主要由3個(gè)部分組成：1.帶質(zhì)量塊的懸臂梁彈性元件，可將所要測(cè)試的加速度轉(zhuǎn)換成機(jī)械變形量（如應(yīng)力、應(yīng)變）；2.力敏原件，常用的是硅微固態(tài)壓阻平膜芯片，通過(guò)玻璃粉燒結(jié)工藝封裝在彈性元件的最大應(yīng)力集中處，當(dāng)有加速度作用時(shí)，彈性元件的最大機(jī)械變形量就通過(guò)平膜芯片的壓阻效應(yīng)轉(zhuǎn)化為惠斯登電橋的電阻變化量，并在一定的電源激勵(lì)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的測(cè)量；3.具有過(guò)載保護(hù)功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如下圖所示：壓阻式加速度傳感器示意圖實(shí)際常用的三軸加速度傳感器如下圖所示，4個(gè)相互垂直的單端固支硅懸臂梁支撐著中間的可動(dòng)質(zhì)量懸塊，用來(lái)檢測(cè)3個(gè)方向的加速度;底部的PYREX玻璃基底提供加速度傳感器的高過(guò)載限位保護(hù)。壓敏電阻分布在4個(gè)懸臂梁上，將各電阻連接可以分別構(gòu)成檢測(cè)3個(gè)垂直方向加速度的惠斯通電橋。當(dāng)傳感器受到外界加速度a時(shí)，質(zhì)量塊m會(huì)把加速度轉(zhuǎn)化為慣性力F=ma,使懸臂梁發(fā)生形變,產(chǎn)生應(yīng)力變化，導(dǎo)致壓敏電阻的阻值發(fā)生變化，最后由惠斯通電橋三軸加速度傳感器示意圖溫度傳感器原理溫度傳感器使用沿［100］或［010］晶向分布的鋸齒形?型摻雜擴(kuò)散電阻測(cè)溫，結(jié)構(gòu)如下圖所示。通過(guò)調(diào)節(jié)擴(kuò)散電阻的摻雜濃度可以使電阻具有良好的線性溫度系數(shù)。溫度傳感器的測(cè)溫電阻也具有壓阻效應(yīng)，外界應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致測(cè)溫電阻值的變化。因此，為避免應(yīng)力對(duì)溫度傳感器阻值的影響,在設(shè)計(jì)測(cè)溫電阻時(shí)將電阻方向沿［100］或［010］晶向布置以獲得最小的壓阻系數(shù)，同時(shí)提高電阻的摻雜濃度以減小整體壓阻系數(shù)。SOI硅片上制作的擴(kuò)散電阻具有比普通硅片擴(kuò)散電阻更好的線性溫度系數(shù)。普通硅片的擴(kuò)散電阻利用PN結(jié)與襯底隔離，隨溫度的升高，PN結(jié)漏電流的增加，導(dǎo)致了擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)具有較大的非線性。而SOI硅片上制作的擴(kuò)散電阻利用SOI硅片的二氧化硅絕緣層與襯底隔離，從而避免了漏電流的影響，具有更好的線性溫度系數(shù)和更大的測(cè)量溫度范圍。對(duì)基于壓阻效應(yīng)的傳感器來(lái)說(shuō)，溫度是影響測(cè)量精度的主要因素之一。在集成傳感器芯片中，溫度傳