壓阻式加速度傳感器基本結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)分析

壓阻式加速度傳感器具備體型小、易集成、功能損耗小、性能可靠、精確度高及其易于利用標(biāo)準(zhǔn)的IC技術(shù)實(shí)現(xiàn)集成化等優(yōu)勢，伴隨著半導(dǎo)體集成電路工藝的發(fā)展和微機(jī)械加工技術(shù)的成熟發(fā)展，壓阻加速度傳感器的研究也有了一定的技術(shù)突破和創(chuàng)新。

在壓阻式加速度傳感器的硅微結(jié)構(gòu)中，慣性質(zhì)量塊是由懸臂梁支撐的,懸臂梁上制作有應(yīng)變擴(kuò)散電阻。當(dāng)被測物體有加速度作用時(shí)，硅微結(jié)構(gòu)會隨之產(chǎn)生慣性力，懸臂梁在慣性力的作用下產(chǎn)生應(yīng)力和彈性形變，懸臂梁上的擴(kuò)散電阻則會產(chǎn)生壓阻效應(yīng)，如圖1,可變的4個(gè)擴(kuò)散電阻連接為wheatstone電橋，應(yīng)變電阻通過電橋輸出電壓的變化，即可將加速度信號的檢測轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵觥?/p>

壓阻式加速度傳感器的基本結(jié)構(gòu)

伴隨著壓阻式加速度傳感器研究的不斷深入及其實(shí)現(xiàn)工藝的多樣性，其硅微結(jié)構(gòu)種類日益繁多,除雙懸臂梁結(jié)構(gòu)形式外，還有雙端支撐的4梁和5梁結(jié)構(gòu)，前者靈敏度高但橫向效應(yīng)大，后者橫向效應(yīng)小但靈敏度較低,5梁結(jié)構(gòu)靈敏度適中，且橫向效應(yīng)極小。在應(yīng)用研究上，壓阻式加速度傳感器又增加了自檢功能和集成CMOS電路，提高了穩(wěn)定性和可靠性，測量方向也從單軸逐漸向多軸集成測量發(fā)展。因此，不同應(yīng)用的壓阻式加速度傳感器層出不窮。

減少橫向靈敏度

傳感器非敏感方向的干擾技術(shù)性能指標(biāo)即是橫向靈敏度比，它的大小直接影響到傳感器對加速度信號的測量精度，減少非敏感方向的橫向干擾是壓阻式加速度傳感器研究中的難點(diǎn)。研究中采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，使各軸之間力的傳遞得到隔離,同時(shí)利用壓阻式加速傳感器技術(shù)精密制作，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來的橫向靈敏度比誤差有效降低,使非敏感方向的干擾基本得到抑制。

無人機(jī)的單片式多軸傳感器

由于科技的進(jìn)步和軍事、商業(yè)市場需求日益增強(qiáng),雙軸、3軸加速度傳感器的研究逐步成為焦點(diǎn)，最開始，人們把2個(gè)或3個(gè)加速度傳感器組合拼裝，用以檢測空間加速度，但拼裝的結(jié)構(gòu)存在穩(wěn)定性差、適應(yīng)范圍小、橫向靈敏度比大、裝配困難等缺點(diǎn)。

提出了一種用以小型無人機(jī)的單片式多傳感器。它由一個(gè)三軸壓阻式加速度計(jì)，一個(gè)壓阻式絕對壓力傳感器和一個(gè)硅熱敏電阻溫度傳感器組成。加速度計(jì)的設(shè)計(jì)采用了四個(gè)硅梁來支撐地震質(zhì)量和適當(dāng)?shù)膲好綦娮杵鞑贾?，以檢測三軸加速度并大大降低了跨軸靈敏度。為了使應(yīng)力對溫度傳感器的影響最小，熱敏電阻沿[100]和[010]晶體方向設(shè)計(jì)。通過使用壓阻式加速傳感器體微加工技術(shù)在SOI晶圓上制造多傳感器。在制造中應(yīng)用了一些有效的微加工步驟。在晶片背面上的兩步濕法各向異性蝕刻工藝可以形成多傳感器的整個(gè)背面形狀。濺射在派熱克斯玻璃上的金屬電極可以避免在陽極鍵合過程中在派熱克斯玻璃與地震物質(zhì)之間發(fā)生粘連。多傳感器的芯片尺寸為4×6×0.9mm3。測量結(jié)果表明，該多傳感器適用于其應(yīng)用領(lǐng)域。

尋找新的結(jié)構(gòu)以提高其靈敏度和固有頻率

因?yàn)榧铀俣葌鞲衅鞯膬蓚€(gè)最重要的指標(biāo)是固有頻率和靈敏度,它們是相關(guān)聯(lián)并矛盾的，即頻率高則靈敏度低，頻率低則靈敏度高。因此，從最早的懸臂梁結(jié)構(gòu)到現(xiàn)在的3梁結(jié)構(gòu)，開發(fā)者圍繞著怎樣保持器件靈敏度的同時(shí)使其具有較高固有頻率而進(jìn)行深入探究。

詳細(xì)介紹了一種應(yīng)用液環(huán)通道和壓阻懸臂的角加速度傳感器。因?yàn)槭褂昧嗽撛淼脑O(shè)備的簡單結(jié)構(gòu)和潛在的低功耗，做為角加速度的檢測原理，流體旋轉(zhuǎn)的檢測已引起關(guān)注。雖然采用這種檢測原理的現(xiàn)有角加速度傳感器具備對圍繞目標(biāo)軸的角加速度的高靈敏度的潛力，可是串?dāng)_仍是一個(gè)問題，尤其是在圍繞其他軸的角加速度和線性加速度的情況下的串?dāng)_。在這里，我們提出一種角加速度傳感器，該傳感器應(yīng)用壓阻懸臂做為傳感元件和兩個(gè)鏡面對稱的環(huán)形通道。這種鏡像對稱性抵消了因?yàn)閲@其他軸的加速度而產(chǎn)生的信號，繞目標(biāo)軸的角加速度信號加倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對其他軸向角加速度和線性加速度的靈敏度足夠小。角加速度的靈敏度高達(dá)3.1×10-4（rad/s2）-1，類似于理論預(yù)測。靈敏度的值在0.1Hz至100Hz的頻率范圍內(nèi)保持。因此，所提出的傳感器適用于實(shí)際的角加速度檢測應(yīng)用。

壓阻式加速度傳感器優(yōu)缺點(diǎn)分析

利用壓阻式加速度傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器的制作手段不斷增強(qiáng)，但在相關(guān)研究方面還存在很多問題，有一些共性難題沒有完全解決。如:如何減少硅微結(jié)構(gòu)的遲滯和溫漂，提高性能；如何尋找應(yīng)變系數(shù)更大的材料，使加速度傳感器具有相對較大的靈敏度；如何采用合理的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在各方向解耦，實(shí)現(xiàn)對橫向干擾的抑制等，分析近年來國內(nèi)外的研究動態(tài)及焦點(diǎn),可以看出有以下幾點(diǎn)發(fā)展趨勢；

(1)高分辨率和大量程的壓阻式加速度傳感器(如500,1000,10000g等)成為研究的重點(diǎn)；

(2)智能化補(bǔ)償傳感器,解決其固有的溫漂、遲滯等；

(3)選擇合理簡潔的壓阻式加速傳感器工藝,降低成本；

(4)壓阻式加速度傳感器電子封裝技術(shù)的研究。

隨著壓阻式加速度傳感器市場需求的擴(kuò)大，壓阻式加速度傳感器工藝水平將得到提高，而且多晶硅、SiC作為壓阻材料的應(yīng)用,其研究進(jìn)展將逐步增強(qiáng)。