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传感器知识

微机械加速度传感器通常由符合标准的质量块构成,它借助弹性元件(如悬臂等)悬挂在基准框架上。质量块因加速度而发生位移,位移的大小与加速度的大小成正比。质量块的位移是可以测量的,方法多种多样,例如可测量质量块和辅助电极间的电容变化,或者通过集成在弹性元件上的应变计测量压电电阻的变化等。工作机制加速度传感器的基本结构中有一个标准的质量块,它通常通过一个或几个弹性元件连接在相对固定的框架上。如图,图上示出了这种结构的简化图模型

假设弹性元件的有效弹性系数为K,阻尼系数为D,那么按牛顿第二定律式中,F是作用在质量块上的力;p是冲量;a是质量块m的加速度。力作用的结果使弹性元件变形,从而导致质量块发生位移式中dst是静态位移,即式(1-2)只适用于慢变化的加速度,也就是只适用于低于系统谐振频率的变化。系统的动态行为可用下列微分方程分析式中Fex是作用在基准框架上的外力,框架上固定有质量块.利用拉普拉斯变换,可以从速度引起的质量位移中获得二阶机械传递函数式中,ωr是谐振频率;Q = ωrm/D为品质因数,按这些关系式,可将式(1-2)改写为此式标志着谐振带宽和灵敏度之间的转折点.为达到较高的直流灵敏度,系统的谐振频率应做的较低。

标准质量块的热运动是限制加速度计性能进一步提高的主要因素。按热动力学理论,对任一种储能形式来说,一个处于平衡状态的系统的热能都等于kBT/2,其中kB是波尔兹曼常数,T是绝对温度。所以,对较小的质量块来说,其热运动也较大,称之为“与总噪声等效的加速度”,可用下式计算由上式可见,要想能测量较小的加速度,就必须要有较大的质量块和较高的品质因数。

为达到较高的灵敏度和较低的噪声,必须应用较大的质量块,所以这类传感器用体微细加工技术制造比较合适。但对需求量不太大的应用来说,表面微细加工工艺制造的器件也有许多可取之处,例如它比较容易与电子电路集成等。所以,现在有些设计已经将体工艺和表面工艺结合考虑,这样可实现在一块晶圆上,一个工艺流程中实现大质量块的加速度计的制作,但目前,用表面微机械加工技术制造的,电容型多晶硅和单晶硅器件仍是最普遍和最通用的高g和低g变量器件,而且现在已经大量生产具有成熟的阻尼和过载保护功能,以及自检测功能的微加速度计。

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