壓阻式微加速度計

1、實驗二壓阻式微加速度計設(shè)計一、實驗目的（1）通過實驗，理解各類微加速度計的結(jié)構(gòu)與工作原理；（2）掌握微加速度計設(shè)計的基本流程與方法；二、實驗器材計算機一臺（要求處理器在奔III以上）。三、實驗說明本實驗以壓阻式微加速度計為例，學習微加速度計的方案設(shè)計、組成模塊分 析、結(jié)構(gòu)分析、信號檢測電路設(shè)計等。四、實驗內(nèi)容（1）闡述壓阻式微加速度計的基本原理與特點；（2）列出壓阻式微加速度計的基本實現(xiàn)步驟，并說明每個步驟的作用與實 現(xiàn)途徑；（3）用Protel99等EDA軟件畫出一種壓阻式微加速度計信號檢測電路的基 本原理框圖五、實驗步驟1、壓阻式加速度計工作原理加速度計的工作原理是依據(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 相對的慣性力。如果設(shè)計一個敏感結(jié)構(gòu)將這個慣性力轉(zhuǎn)換成一個與之相應的變形，則可利用 壓阻應變計將這一變形檢出，以此實現(xiàn)對外界線加速度的測量。這個物理過程的數(shù)學表達式 為：F - ma（1）根據(jù)材料力學理論，敏感結(jié)構(gòu)變形時的撓度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變之間的關(guān)系又可寫為：(3)（4）5 二l其中，l敏感結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換件支點至載荷之間的長度將式（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， 當結(jié)構(gòu)一定時，B即為常數(shù)。貝0 TOC o

3、 1-5 h z = Ba（5）當在敏感結(jié)構(gòu)上設(shè)置相應的壓阻應變計后，應變與檢測電橋的輸出AV之間將有如下關(guān) 系：京=GV（6）其中：G壓阻應變計的靈敏度系數(shù)V應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）可見當傳感器設(shè)計完成后，S即為定值，其檢測橋路的輸出AV則與被測線加速度直接 成對應關(guān)系。2、壓阻式微加速度計的基本實現(xiàn)步驟及壓阻式微加速度計的傳感器結(jié)構(gòu)等2. 1壓阻式加速度計的基本思想步驟壓阻式微加速度計性能指標分析；壓阻式微加速度計結(jié)構(gòu)設(shè)計；壓阻式微加速度計結(jié)構(gòu)仿真與分析；壓阻式微加速度計結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。2.2 壓阻式

4、加速度計的結(jié)構(gòu)分析傳感器結(jié)構(gòu)對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散形成應變電阻， 四支應變電阻構(gòu)成惠司登電橋。當傳感器受到加速度作用時，在慣性力的作用下，質(zhì)量塊相 當于基片運動，造成彈性梁發(fā)生變形，由于壓阻效應，各應變電阻的電阻率發(fā)生變化，電橋 失去平衡，輸出電壓發(fā)生變化，定標后即可測量所受加速度。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)量塊所響應的加速度，所以在輸出端的信號也為線性，上下 蓋板上的過載保護限

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、高和寬，質(zhì)量塊的質(zhì)量為m。當芯片以加速度氣運動時，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力為Ma， 由于質(zhì)量塊相對于梁來說，可視為剛體，梁的質(zhì)量可以忽略，所以可認為慣性力作用在質(zhì)量 塊的質(zhì)心。圖2芯片結(jié)構(gòu)示意圖下面討論應力分布，在區(qū)域0。1段即懸臂梁上任意一點的應力a = E - Y 礦(9)其中Y為該點距梁中平面為零的坐標距離，y(x)為該點的撓度。取該點的一個單元 x,求得

6、該點的慣性矩為：MG)=-E I y(x)外力F在該點產(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 )的應力為:一 6叫 x a a / bh2 L i /21 13、壓阻式微加速度計的信號檢測電路根據(jù)歐姆定律，導體或半導體材料的電阻(14)其中P是電阻率，L是導體長度A是導體或半導體的截面積。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);。是應力；E是彈性模量；r是泊松比/是應變；K =RE +1 + 2四是靈敏系數(shù)。對半導體來說兀E比1 + 2四大的多，故1 + 2R可以忽略，因而其電阻的相對變化可以寫為:AR R = Ap p =兀。(18)半導體材料的電阻變率化國/ 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，因此半導體材料的壓阻式傳感器要比金屬應變式傳感器的靈敏度系數(shù)高12個數(shù)量級。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)；*，分別為縱向應力和橫向應力。力敏電阻受力后乙R/R的增減主要取決于應力的正負。將單晶硅沿三個晶軸方向取出一微元素,微元素上有六個獨立應力分量b靈當加速度計受到加速度a時，質(zhì)量塊m會把加速度轉(zhuǎn)化為慣性力F，F(xiàn) = ma，這個力使加速度計的