CN101118249A - 压阻式高g值加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微机械电子技术领域，具体是一种压阻式高g值加速度计。解决了现有压阻式加速度计结构不能同时满足固有频率高、灵敏度高、能承受较高的横向加速度等特性要求的问题，该加速度计包括固定于玻璃底板上的硅基框架、弹性梁、以及通过弹性梁支悬于硅基框架中央的质量块，弹性梁端部设有构成惠斯通电桥的压敏电阻，弹性梁的梁宽与质量块的宽度相等，而弹性梁的梁厚小于质量块的厚度，且质量块背部开有凹槽。本发明结构合理、简单，同时具有良好的抗过载能力等特性要求，避免了在恶劣冲击环境下失效的问题；且制作工艺比较简单，适用于高量程的加速度计。
Description
技术领域
本发明涉及微机械电子技术领域，具体是一种压阻式高g值加速度计。
背景技术
加速度计广泛应用于航空、电子、汽车和机械领域的振动和冲击测量。随着微机电MEMS产业的兴起，加速度计逐渐向微型化、集成化方向发展。由于微加速度计具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、易批量生产等优点，因此具有广泛的军事和民用前景。其中压阻式加速度计由于具有线性度好、外围电路简单、抗过载能力强等优点而广泛应用于冲击环境的加速度测量。而基于不同冲击环境的测量需求，压阻式加速度计中的高g值加速度计更是受到广泛的关注。
压阻式加速度计包括固定于玻璃底板上的硅基框架，以及通过弹性梁支悬于硅基框架中央的质量块，弹性梁端部设有构成惠斯通电桥的压敏电阻。目前，压阻式加速度计根据弹性梁的梁厚、梁宽分为梁岛式和平膜式两种：梁岛式结构，梁厚小于质量块厚度，梁宽也小于质量块的宽度，即存在相对质量块，其灵敏度较高，但固有频率较难提高，但由于质量块质心与梁的中性面(即与梁的上表面平行过梁中心的平面)位于不同平面，抗冲击能力较差，尤其当结构承受横向加速度时，结构会因受到较大的扭矩发生扭转，造成结构损坏；平膜式结构，梁厚与质量块厚度相同，梁宽亦与质量块宽度相同，即不存在相对质量块，其固有频率高，能有效地提高抗冲击性能，且能承受更高的横向加速度，但由于没有相对质量块的存在，应力集中区较小，灵敏度相对较低，且线性度较差。
发明内容
本发明为了解决现有压阻式加速度计结构不能同时满足固有频率高、灵敏度高、能承受较高的横向加速度等特性要求的问题，提供了一种压阻式高g值加速度计。
本发明是采用如下技术方案的：压阻式高g值加速度计，包括固定于玻璃底板上的硅基框架、弹性梁、以及通过弹性梁支悬于硅基框架中央的质量块，弹性梁端部设有构成惠斯通电桥的压敏电阻，弹性梁的梁宽与质量块的宽度相等，而弹性梁的梁厚小于质量块的厚度，且质量块背部开有凹槽。
当质量块受到Z向的加速度作用时，质量块受力引起弹性梁的弯曲变形，弹性梁的变形引起弹性梁上压敏电阻产生应变，压敏电阻受到的横向应力和纵向应力使电阻阻值发生变化，由压敏电阻构成的惠斯通电桥输出信号，即能检测出Z向的加速度。
与现有技术相比，本发明将平膜式结构和梁岛式结构的压阻式加速度计有效的结合在一起，从而使梁岛式结构与平膜式结构的优点得到了有效的结合，使本发明所述加速度计具有灵敏度较高、固有频率高、能有效地提高抗冲击性能、且能承受更高的横向加速度的优点；并利用KOH溶液在质量块背部开槽腐蚀，减轻质量块质量，使质量块的质心上移，与弹性梁中性面的距离缩小，所以位移较小，所述的加速度计结构能承受较大的高g惯性力，因而具有较好的抗过载能力。
经有限元ANSYS软件分析(加载10000g惯性力，各结构的相关参数一致，如：梁宽、梁厚等等)：
经数据比较，本发明所述加速度计结构的一阶固有频率、最大等效应力介于梁岛式结构与平膜式结构之间，较之梁岛式结构与平膜式结构的加速度计，本所述加速度计结构的一阶固有频率、以及最大等效应力表征的灵敏度相对较高，且其灵敏度能通过惠斯通电桥的串联增大输出，得到进一步提高。
本发明所述加速度计采用硅基衬底，通过KOH湿法腐蚀剂在(100)晶面进行各向异性腐蚀出质量块和框架结构，采用ICP刻蚀工艺刻蚀得到梁结构；梁上扩散有构成惠斯通电桥的压敏电阻；硅基框架和起到限位保护作用的玻璃底盖采用静电键合技术键合在一起。同时，通过KOH湿法腐蚀剂腐蚀质量块底部，在质量块底部形成凹槽。其所采用的加工技术皆为现有公知技术，本技术领域的技术人员能通过现有公知加工技术实现本发明所述加速度计的结构。
本发明结构合理、简单，同时具有良好的抗过载能力等特性要求，避免了在恶劣冲击环境下失效的问题；且制作工艺比较简单，适用于高量程的加速度计。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的A-A剖面图；
图3为本发明压敏电阻连接构成的一具体惠斯通电桥原理图；
图中：1-硅基框架；2-弹性梁；3-质量块；4-压敏电阻；5-凹槽；6-玻璃底板。
具体实施方式
压阻式高g值加速度计，包括固定于玻璃底板6上的硅基框架1、弹性梁2、以及通过弹性梁2支悬于硅基框架1中央的质量块3，弹性梁2端部设有构成惠斯通电桥的压敏电阻4，弹性梁2的梁宽与质量块3的宽度相等，而弹性梁2的梁厚小于质量块3的厚度，且质量块3背部开有凹槽5。
具体实施时，弹性梁2两端分别扩散有压敏电阻4(即弹性梁2与质量块3、硅基框体1的交叉处皆设置有压敏电阻4，四根弹性梁上共扩散有八个压敏电阻)，弹性梁2两端的压敏电阻4分别构成两个串联于一起的惠斯通电桥，如图3所示，电阻R1、R2、R3和R4够成一个惠斯通电桥，另外四个电阻R5、R6、R7和R8构成另一个惠斯通电桥，将两个电桥串联能增大输出信号，进一步提高本结构的输出灵敏度。
Claims (2)
1.一种压阻式高g值加速度计，包括固定于玻璃底板(6)上的硅基框架(1)、弹性梁(2)、以及通过弹性梁(2)支悬于硅基框架(1)中央的质量块(3)，弹性梁(2)端部设有构成惠斯通电桥的压敏电阻(4)，其特征是：弹性梁(2)的梁宽与质量块(3)的宽度相等，而弹性梁(2)的梁厚小于质量块(3)的厚度，且质量块(3)背部开有凹槽(5)。
2.根据权利1要求所述的压阻式高g值加速度计，其特征是：弹性梁(2)两端分别扩散有压敏电阻(4)，弹性梁(2)两端的压敏电阻(4)分别构成两个串联于一起的惠斯通电桥。
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