CN100586763C - 安全气囊用加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种安全气囊用加速度传感器，包括敏感元件和信号获取与处理电路，所述敏感元件为敏感质量块、位于敏感质量块中间空腔的悬臂梁、敏感质量块两端的杠杆结构；与杠杆结构锚点相接触的谐振器连入信号获取与处理电路；所述谐振器做成双音叉结构；敏感质量块空腔的悬臂梁两侧设置有测试驱动叉指结构；实现了在谐振式加速度传感器在汽车安全气囊方面的应用，提高了信噪比和灵敏度。

Description

安全气囊用加速度传感器

技术领域

本发明涉及一种应用于汽车领域的安全气囊的加速度传感器

背景技术

加速度传感器广泛应用于汽车领域的安全气囊、悬挂系统、车身稳定控制、军事领域的制导、引信、卫星姿态导航，消费电子领域的摄像机稳定装置、游戏机控制器，计算机领域的虚拟现实、硬盘保护等。这些应用各不相同，对传感器的性能要求各不相同，所以目前已经出现了多种根据不同原理制造的加速度传感器，这些技术可以分为力检测和位移检测两大类别。位移检测的原理是将减速度转化为可动质量块的可测位移量，这个位移通常可以通过光学方法或者电容检测的方法测得，力检测加速度传感器则检测作用在质量块上的力作为测量输出量。谐振式加速度传感器可以被归为力检测加速度传感器。在谐振式加速度传感器中，输入加速度的检测由测量敏感器件的谐振特性的改变实现，这里的敏感器件与质量块连接在一起。

谐振式传感技术不光在加速的检测中得到了成功的应用，在压力检测和原子力显微镜中也表现出色。谐振式传感技术的优点是动态范围宽、灵敏度高、稳定性好，单晶硅谐振式传感器已经达到了1kHz/g以上的灵敏度和2ug的噪声水平。

谐振式传感器的主要缺陷是难于应用到加速度随时间改变率很大的情况下，谐振系统有可能会转化为一个非线性谐振系统，进而有可能出现丰富的分岔现象和混沌共振，而在实际的工程应用混沌共振常会导致动力系统的不规则运动和机械系统的疲劳断裂，这种现象是我们极力避免的。所以目前大多数应用都应用于加速度改变频率在数百赫兹以下的情况下。

据以往国内外公布的数据，达到碰撞安全标准的实验中，一般的碰撞过程都在80ms以上，碰撞的峰值在60ms后出现，可见整个碰撞过程中加速度改变的主要频率范围在100Hz以下，故谐振式加速度传感器完全可以应用于汽车安全气囊而不会发生前面所说的分岔现象和混沌共振。

而目前市场上暂时没有此类汽车安全气囊用谐振式加速度传感器。

发明内容

本发明目的是：提供一种汽车安全气囊用谐振式加速度传感器，并且提高了信噪比和灵敏度。

本发明的技术方案是：一种安全气囊用加速度传感器，包括敏感元件和信号获取与处理电路，上述部分都是基于MEMS表面工艺加工成型的整体，所述敏感元件为敏感质量块、位于敏感质量块中间空腔的悬臂梁、敏感质量块两端的杠杆结构；与杠杆结构锚点相接触的谐振器连入信号获取与处理电路；所述谐振器做成双音叉结构；敏感质量块空腔的悬臂梁两侧设置有测试驱动叉指结构；杠杆结构可以做成杠杆串联结构；敏感质量块的表面可以有数个方形小孔。

本发明的优点是：

1.由于质量块两边的谐振梁受力是相反的，故在外加加速度的情况下，这两个谐振梁的本征振荡频率会发生相反的变化。器件的输出就是这两个振荡频率的差值，差分结构明显的好处是使信噪比提高了一倍，差分输出还可以避免温度的影响和消除频率变化的二阶分量，增加输出的线性性。

2.使用双音叉结构而不使用一根双端固支梁的原因在于，双音叉结构的两根谐振梁做反相运动，这样谐振梁的运动不会使锚点上产生多余的压力，减少锚点的能量损耗，进而可以获得较高的品质因子，提高灵敏度。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为安全气囊用谐振加速度传感器的结构；

图2为谐振器结构；

图3为杠杆串联结构；

图4为双音叉结构的原理图和等效电路；

图5为信号获取与处理电路；

其中：1敏感质量块；2悬臂梁；3杠杆结构；4锚点；5锚点；6谐振器；7谐振梁；8双音叉结构；9测试驱动叉指结构；10小孔。

具体实施方式

实施例：如图1、图2所示，一种安全气囊用加速度传感器，包括敏感元件和信号获取与处理电路，上述部分都是基于MEMS表面工艺加工成型的整体，所述敏感元件为敏感质量块1、位于敏感质量块中间空腔的悬臂梁2、敏感质量块1两端的杠杆结构3；与杠杆结构3锚点4相接触的谐振器6连入信号获取与处理电路；所述谐振器6做成双音叉结构8；敏感质量块空腔的悬臂梁2两侧设置有测试驱动叉指结构9；杠杆结构3可以做成杠杆串联结构；敏感质量块1的表面有数个方形小孔10。

基本原理是利用敏感质量块1检测惯性力，然后将其通过杠杆结构3放大，最终转化为谐振梁7上的应力，从而改变谐振梁7的谐振频率，达到检测加速度的目的。测试该器件的时候显然不可能通过实际产生加速度来测量，于是有必要设计一组测试用叉指电容驱动结构9，通过这样的结构我们可以在质量块上加上任意我们想要的力，来仿真实际情况下的加速度。

由于质量块两边的谐振梁7受力是相反的，故在外加加速度的情况下，这两个谐振梁7的本征振荡频率会发生相反的变化。器件的输出就是这两个振荡频率的差值，差分结构明显的好处是使信噪比提高了一倍，差分输出还可以避免的温度影响和消除频率变化的二阶分量，增加输出的线性性。

使用双音叉结构8而不使用一根双端固支梁的原因在于，双音叉结构8的两根谐振梁7做反相运动，这样谐振梁7的运动不会使锚点4上产生多余的压力，减少锚点4的能量损耗，进而可以获得较高的品质因子，提高灵敏度。

由于采用表面工艺，敏感质量块1的质量有时不会做的太大，这样有可能导致轴向应力太小导致灵敏度太小，不符合设计要求。如果遇到这种情况，我们还可以通过将杠杆结构串联起来提高放大因子，如图3。

Claims (3)

1.一种安全气囊用加速度传感器，包括敏感元件和信号获取与处理电路，上述部分都是基于MEMS表面工艺加工成型的整体，其特征在于：所述敏感元件为敏感质量块(1)、位于敏感质量块(1)中间空腔的悬臂梁(2)、敏感质量块(1)两端的杠杆结构(3)；与杠杆结构(3)锚点(4)相接触的谐振器(6)连入信号获取与处理电路；所述谐振器(6)做成双音叉结构(8)；敏感质量块(1)空腔的悬臂梁(2)两侧设置有测试驱动叉指电容驱动结构(9)。

2.根据权利要求1所述加速度传感器，其特征在于：所述杠杆结构(3)可以做成杠杆串联结构。

3.根据权利要求1所述加速度传感器，其特征在于：所述敏感质量块(1)的表面可以有数个方形小孔(10)。

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