壓阻式微加速度計(jì)

1、實(shí)驗(yàn)二壓阻式微加速度計(jì)設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）通過(guò)實(shí)驗(yàn)，理解各類(lèi)微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)與工作原理；（2）掌握微加速度計(jì)設(shè)計(jì)的基本流程與方法；二、實(shí)驗(yàn)器材計(jì)算機(jī)一臺(tái)（要求處理器在奔III以上）。三、實(shí)驗(yàn)說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)以壓阻式微加速度計(jì)為例，學(xué)習(xí)微加速度計(jì)的方案設(shè)計(jì)、組成模塊分 析、結(jié)構(gòu)分析、信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)等。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）闡述壓阻式微加速度計(jì)的基本原理與特點(diǎn)；（2）列出壓阻式微加速度計(jì)的基本實(shí)現(xiàn)步驟，并說(shuō)明每個(gè)步驟的作用與實(shí) 現(xiàn)途徑；（3）用Protel99等EDA軟件畫(huà)出一種壓阻式微加速度計(jì)信號(hào)檢測(cè)電路的基 本原理框圖五、實(shí)驗(yàn)步驟1、壓阻式加速度計(jì)工作原理加速度計(jì)的工作原理是依據(jù)牛頓第二定律建立的，

2、即質(zhì)量塊在加速度作用下將產(chǎn)生一個(gè) 相對(duì)的慣性力。如果設(shè)計(jì)一個(gè)敏感結(jié)構(gòu)將這個(gè)慣性力轉(zhuǎn)換成一個(gè)與之相應(yīng)的變形，則可利用 壓阻應(yīng)變計(jì)將這一變形檢出，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)外界線(xiàn)加速度的測(cè)量。這個(gè)物理過(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá)式 為：F - ma（1）根據(jù)材料力學(xué)理論，敏感結(jié)構(gòu)變形時(shí)的撓度5為：F5 =（2）K其中：K承受慣性力的敏感結(jié)構(gòu)件的剛度而撓度與應(yīng)變之間的關(guān)系又可寫(xiě)為：(3)（4）5 二l其中，l敏感結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換件支點(diǎn)至載荷之間的長(zhǎng)度將式（1）、（2）代入（3）式后有:ma =klm令B = klB可視為慣性敏感轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靈敏度因子。選擇不同的結(jié)構(gòu)，B取值將有很大的差異， 當(dāng)結(jié)構(gòu)一定時(shí)，B即為常數(shù)。貝0 TOC o

3、 1-5 h z = Ba（5）當(dāng)在敏感結(jié)構(gòu)上設(shè)置相應(yīng)的壓阻應(yīng)變計(jì)后，應(yīng)變與檢測(cè)電橋的輸出AV之間將有如下關(guān) 系：京=GV（6）其中：G壓阻應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)V應(yīng)變電橋上所加的電壓將式（5）代入（6）式則有：AV = GVBa（7）令：S = GBV 則：AV = Sa（8）可見(jiàn)當(dāng)傳感器設(shè)計(jì)完成后，S即為定值，其檢測(cè)橋路的輸出AV則與被測(cè)線(xiàn)加速度直接 成對(duì)應(yīng)關(guān)系。2、壓阻式微加速度計(jì)的基本實(shí)現(xiàn)步驟及壓阻式微加速度計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)等2. 1壓阻式加速度計(jì)的基本思想步驟壓阻式微加速度計(jì)性能指標(biāo)分析；壓阻式微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；壓阻式微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)仿真與分析；壓阻式微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。2.2 壓阻式

4、加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)分析傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)于小量程傳感器采用懸臂梁結(jié)構(gòu)較為適合，為獲得高靈敏度，需使懸臂梁盡可能薄。傳感器由三部分組成：核心是兩道結(jié)構(gòu)的中間芯片，在梁的部位作淡硼擴(kuò)散形成應(yīng)變電阻， 四支應(yīng)變電阻構(gòu)成惠司登電橋。當(dāng)傳感器受到加速度作用時(shí)，在慣性力的作用下，質(zhì)量塊相 當(dāng)于基片運(yùn)動(dòng)，造成彈性梁發(fā)生變形，由于壓阻效應(yīng)，各應(yīng)變電阻的電阻率發(fā)生變化，電橋 失去平衡，輸出電壓發(fā)生變化，定標(biāo)后即可測(cè)量所受加速度。輸入電壓匕，輸出電壓圖1顯示了懸臂梁上應(yīng)變電阻的分布和電橋的輸入輸出端，Vout圖1 懸臂梁上的電阻由于懸臂梁的撓曲正比于質(zhì)量塊所響應(yīng)的加速度，所以在輸出端的信號(hào)也為線(xiàn)性，上下 蓋板上的過(guò)載保護(hù)限

5、定了傳感器的量程，間隙中的空氣壓膜阻尼確定了傳感器的動(dòng)態(tài)特性。 傳感器工作的穩(wěn)定性主要由傳感器的溫度漂移特性決定，需要作外部補(bǔ)償。懸臂梁的結(jié)構(gòu)分析圖2為傳感器芯片中間層剖面示意圖，a、b、h和a、b、h分別為梁和質(zhì)量塊 1112 2 2的長(zhǎng)、高和寬，質(zhì)量塊的質(zhì)量為m。當(dāng)芯片以加速度氣運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力為Ma， 由于質(zhì)量塊相對(duì)于梁來(lái)說(shuō)，可視為剛體，梁的質(zhì)量可以忽略，所以可認(rèn)為慣性力作用在質(zhì)量 塊的質(zhì)心。圖2芯片結(jié)構(gòu)示意圖下面討論應(yīng)力分布，在區(qū)域0。1段即懸臂梁上任意一點(diǎn)的應(yīng)力a = E - Y 礦(9)其中Y為該點(diǎn)距梁中平面為零的坐標(biāo)距離，y(x)為該點(diǎn)的撓度。取該點(diǎn)的一個(gè)單元 x,求得

6、該點(diǎn)的慣性矩為：MG)=-E I y(x)外力F在該點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩：M(x)= F x M0由力矩平衡原理且:(x)= 一 e i (F x 一 M0)yG)=mazEI(10)(11)(12)(13)將式(3-1-13)代入(3-1-9),可知懸臂梁上表面(Y = hJ2 )的應(yīng)力為:一 6叫 x a a / bh2 L i /21 13、壓阻式微加速度計(jì)的信號(hào)檢測(cè)電路根據(jù)歐姆定律，導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻(14)其中P是電阻率，L是導(dǎo)體長(zhǎng)度A是導(dǎo)體或半導(dǎo)體的截面積。微分后得dR _ dpR = PdL + (1 + 2 日)l(15)引用dp=兀。p(16)則式(3-1-35)可以寫(xiě)成dRdL

7、dL一 =Kb + (1 + 2 r )=(兀E +1 + 2 r )=(兀E +1 + 2 r 片=KeRLL(17)式中n是壓阻系數(shù);。是應(yīng)力；E是彈性模量；r是泊松比/是應(yīng)變；K =RE +1 + 2四是靈敏系數(shù)。對(duì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)兀E比1 + 2四大的多，故1 + 2R可以忽略，因而其電阻的相對(duì)變化可以寫(xiě)為:AR R = Ap p =兀。(18)半導(dǎo)體材料的電阻變率化國(guó)/ R主要由Ap / p引起，而金屬材料的電阻變化率主要由1 + 2 R引起，因此半導(dǎo)體材料的壓阻式傳感器要比金屬應(yīng)變式傳感器的靈敏度系數(shù)高12個(gè)數(shù)量級(jí)。受力后力敏電阻的變化率AR / R等于電阻率變化率Ap p，而Ap/p=b=b +兀 b(19)式中兀1，七分別為縱向壓阻系數(shù)和橫向壓阻系數(shù)；*，分別為縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力。力敏電阻受力后乙R/R的增減主要取決于應(yīng)力的正負(fù)。將單晶硅沿三個(gè)晶軸方向取出一微元素,微元素上有六個(gè)獨(dú)立應(yīng)力分量b靈當(dāng)加速度計(jì)受到加速度a時(shí)，質(zhì)量塊m會(huì)把加速度轉(zhuǎn)化為慣性力F，F(xiàn) = ma，這個(gè)力使加速度計(jì)的