新型壓阻式硅微加速度傳感器.新穎性壓阻式硅微加速度傳感器，因其具有響應快、靈敏度高、精度高、易于小型化等優點，尤其是它的低頻響應好，并且該傳感器在強輻射作用下能正常工作，對它的研究近年來受到重視。在工業自動控制、汽車、地震測量、軍事和空間系統、醫學及生物工程等領域中有著廣泛的應用前景。在實際生活應用中往往傳感器的靈敏度和量程很難做到二者兼優，為了更好地提高壓阻式加速度傳感器的靈敏度，新型壓阻式加速度傳感器的量程設計加以改進，利用靜電力對其量程進行可調控制。對于一個結構和幾何參數確定的懸臂梁式加速度傳感器的設計考慮主要在于：其敏感質量塊的自由運動范圍，制約著它的測量范圍。新型壓租式硅微加速度傳感器采用靜電力來抵消部分加速度慣性力，使同樣大小的質量塊位移量能夠代表更大或不同的被測加速度值，從而實現量程可調的目的。.傳感器工作原理壓阻效應半導體材料的壓阻效應是指半導體材料受應力作用時，其電阻率發生變化的物理現象。原因可以解釋為：由應變引起能帶變形，從而使能帶谷中的載流子數也發生相對變化，導致電阻率變化。由半導體電阻理論可知電阻率P的相對變化為dP/P=KLc=KLE8式中，冗L為沿晶向L的壓阻系數，單位m2/N；。為沿晶向L的應力，單位m2/N；E為半導體材料的彈性模量，8為軸向應變。壓阻式加速度傳感器工作原理壓阻式加速度傳感器的工作原理是:在測量物體加速度時是基于牛頓第二定律，即物體運動的加速度與作用在它上面的力成正比，與物體的質量成反比，即a=F/m。當物體以加速度運動時，質量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，該變形引起壓阻效應，懸臂梁上半導體電阻阻值發生變化致使橋路不平衡，從而輸出電壓有變化，即可得出加速度a值的大小。懸臂梁壓阻式加速度計的傳感原理懸臂梁壓阻式加速度微傳感器是通過將加速度產生的作用加到質量塊上，并將質量塊的移動通過壓敏電阻來測量。懸臂梁壓阻式加速度微傳感器的結構簡化圖如下所示。懸臂梁壓阻式加速度計結構簡化圖1一懸臂梁；2一擴散電阻；3—質量塊；4—機座外殼當加速度作用于懸臂梁自由端質量塊時，懸臂梁受到彎矩作用產生的應力而發生變形由于硅的壓阻效應，各應變電阻的電阻率發生變化，電橋失去平衡，輸出電壓發生變化，通過測量輸出電壓的變化可得到被測量的加速度值。新型懸臂梁壓阻式加速度計量程改進的依據壓阻式加速度計的工作原理是根據作用在彈性元件上的外力致使其發生形變，引起制作在彈性元件上的應變電阻受到應力其阻值改變，從而輸出電信號發生變化。在現有的MEMS技術下，尤其是懸臂梁式加速度傳感器，懸臂梁多采用硅材料或石英材料制作，懸臂梁結構比較適合于小量程傳感器。然而在實際工程中，往往懸臂梁會受到隨時間變化的動載荷，甚至是瞬時沖擊較大的載荷作用，雖然可以根據載荷作用前后的能量守恒原則，但是當應力超過材料的強度極限時，結構將發生斷裂或屈服失效，特別是脆性材料多晶硅制成的懸臂梁在沖擊或振動作用下很容易斷裂失效。此外，疲勞也將導致結構斷裂，構件在交變應力的作用下，即使其應力小于斷裂強度，在經過一定次數的交變應力之后也會發生脆性斷裂。為了使懸臂梁不被損壞，同時也為了滿足不同荷載作用時加速度的準確測量，本文提出了用靜電力來抵消部分慣性力，從而使得較小的質量塊位移就能代表較大的加速度值，大大降低了梁的彎曲形變。靜電力調控基本原理如下式F+F=F，F為敏感質量塊受到的加速度慣性力；Fr懸臂梁彈性形變回復力；Fe為質量塊所處的電容板間的電場力。利用單片機實時調控電容極板間的靜電力大小來抵消部分慣性力，最終使敏感質量塊的位移距平衡位置的差距不會很大，進而保護了懸臂梁不會被折斷或失效。靜電力平衡的原理靜電力(electrostaticforce)是靜止帶電體之間的相互作用力。平行板電容器兩極板間的靜電力可以看作是由許多點電荷構成的，每一對靜止點電荷之間的相互作用力遵循庫倫定律。兩個靜止極板間的靜電力就是構成它們的點電荷之間相互作用力的矢量和。靜電力是以電場為媒介傳遞的。懸臂梁壓阻式加速度計的靜電力擴程系統，如下圖所示:口的方茴判斷*單片機 ?靜電力調控系統原理圖在上圖中，作為電容器活動極板的慣性敏感質量塊由懸臂梁支撐，并夾在兩個固定極板之間，組成一對差動平行板電容器。當有加速度a作用時，活動極板將產生偏離0位（即中間位置）的位移，引起電容變化。變化量笈由檢測電路檢測并放大輸出，再由脈沖寬度調制器感受且產生兩個調制信號UE和UE,并反饋到電容器定極板上，引起一個與偏離位移成正比且總是阻止活動極板偏離0位的靜電力F0=1/2U2（t方c&,這就構成了脈寬調制的靜電伺服系統。當外界有較大的荷載作用于敏感質量塊時，懸臂梁因受應力而彎曲形變，為了使梁不受損壞，需要一個阻止質量塊偏離0位的力來實現。脈沖寬調制器產生的兩個調制信號UE和UE，單片機控制的電子開關a、b與電容極板c、d觸點的選擇閉合，把Ue和UE適時地加到電容極板上。假設此時梁朝下彎曲，即下動極板與下固定極板間距內減小Ad，上動極板與上極板間距dj增加Ad，在懸臂梁所能承受的形變范圍內，久-d將有一個下限值（防止質量塊與極板吸合），此時要求給下定極板上電，下定極板與下動極板間電場力方向與彈性力方向一致，這就必須由電子開關的選擇閉合來實現。隨著所加驅動電壓的增大，大部分慣性力將被抵消掉，從而使質量塊偏離平衡位置的位移減小，懸臂梁彎曲程度大大減小；同理，當懸臂梁朝上彎曲形變，給上定極板上電，上定極板與上動極板間的電場力增大，其方向與此時的彈性力方向相同，靜電力抵消掉了增加的慣性力。因此，質量塊離開平衡位置的位移將減小，懸臂梁形變減小，從而有效地保護了懸臂梁。.加速度計的性能指標加速度計的性能指標主要有兩個：靈敏度和固有頻率。靈敏度是在單位加速度激勵下，加速度傳感器輸出響應（電壓或電流）的大小。一般情況下總是希望靈敏度越高越好，因為產生較大的電信號對后面的檢測電路有利。固有頻率是指當懸臂梁沒有受到外部力和力矩干擾時，產生的周期性振動頻率，所以，固有頻率是系統的固有屬性，它與既定的系統有關，而與初始條件和運動狀態無關。實際應用當中，希望加速度計的第一階固有頻率越大越好，可以利用ANSYS中的靜態分析來考察加速度計在一定的加速度環境中，加速度計懸臂梁的應力和應變分布，使壓敏電阻工作在彈性形變區域內，從而保證了懸臂梁壓阻式加速度計的線性和精度。加速度計的基本參數包括兩類：結構參數和材料參數。結構參數包括懸臂梁的厚度、長度、寬度、質量塊的高度、質量、寬度等參數。材料參數包括基底硅的楊氏模量、泊松比、密度。懸臂梁壓阻式加速度傳感器的梁是采用硅材料制作的，測量電阻是利用擴散工藝法制成的半導體擴散電阻。而擴散工藝涉及到摻雜離子的濃度，而溫度又是影響摻雜離子濃度的一大因素。摻雜離子濃度的變化導致電子遷移率發生變化，擴散電阻的阻值隨之變化。因此，必須考慮半導體材料溫度特性對加速度傳感器測量結果的影響。敏感元件工作時隨著環境溫度的變化，其性能參數也會有所變化。這種變化雖然微小，可是有時是不能忽略的，帶來的誤差需要采取有效的補償措施。.硅微加速度傳感器的應用情況及前景慣性導航和制導系統在導彈、飛機、航艦、戰車等的導航制導系統中，必須要有準確的速度和位置信息，而加速度傳感器可以在運動體內直接測量其加速度，進而得到速度和位置信息。其測量精度高、動態性能好。（1）傾斜測量與調平系統在重力場中，加速度傳感器可以測量重力加速度變化。當其敏感軸向垂直于水平面時，加速度傳感器指示單位重力加速度，若敏感軸向發生傾斜，輸出為傾斜角度的正弦函數。利用這一原理，可以用作傾斜測量和調平，如火控炮瞄雷達、防空雷達的調平。此外，還可通過測量火車、汽車的傾向加速度來控制傾斜角度，可使其在彎道上仍可高速行駛。（2）安全防撞系統安全氣囊是提高汽車行駛安全性的重要部件，通過對前撞、后撞或側撞信息的檢測，當出現可造成人生理傷害的加速度值時，便給出一個指令，使氣囊迅速充氣，這樣就避免使乘員撞在堅硬的部件上而發生傷亡，大大提高了汽車的安全性。（3）提高電梯、車輛等的舒適性通過測量縱向、橫向及垂直加速度，改善車輛的控制和穩定性。加速度傳感器將測出車輛顛簸或路面不平引起的垂直加速度輸入懸架控制系統，使顛簸得以降低，大大提高乘坐的舒適性。（4）醫療器械心率響應式起搏器，它應用加速度微傳感器檢測心臟運動，然后用高級的信號處理技術將測得的加速度信號轉換成適當的起博率，使起博率與病人身體活動量的大小成正比。這種形式的起搏器不管是對小運動量的運動，還是對快速晃動那樣的大運動量的運動，均能使心率緩慢地變化。.參考文獻[1]孫以材，劉玉嶺，孟慶浩.壓力傳感器的設計制造與應用M.北京：冶金工業出版社，2000，2~6[2]席占穩.壓阻式硅微加速度傳感器的研制[J].傳感器技術，2013,22(11)：31~33[3]李軍俊，劉理天，楊景銘.新型硅微加速度傳感器的設計與制作[J].清華大學學報(自然科學版)，1999,39(SI)：84?87[4]汪延成.仿生蜘蛛振動感知的硅微加