基于雙路循環(huán)電橋檢測(cè)的三軸壓阻式加速度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種基于雙路循環(huán)電橋檢測(cè)的三軸壓阻式加速度傳感器，該傳感器的該檢測(cè)法打破了普通三軸壓阻式加速度傳感器至少使用12個(gè)壓敏電阻，每4個(gè)連接成一個(gè)惠斯通電橋檢測(cè)一個(gè)方向輸出信號(hào)的“單向檢測(cè)”規(guī)律，提出了一種對(duì)三軸加速度傳感器三個(gè)方向的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的循環(huán)檢測(cè)電橋法，該循環(huán)檢測(cè)電橋由8個(gè)壓敏電阻共用橋臂而組成。對(duì)比本發(fā)明傳感器的雙路循環(huán)電橋檢測(cè)法和普通傳感器的單向檢測(cè)法可以得出，采用雙路循環(huán)電橋檢測(cè)法有效地提高了三軸加速度傳感器的靈敏度，同時(shí)降低了它的橫向耦合。
【專利說(shuō)明】基于雙路循環(huán)電橋檢測(cè)的三軸壓阻式加速度傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種MEMS傳感器，具體是一種基于雙路循環(huán)電橋檢測(cè)的三軸壓阻式加速度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]基于MEMS技術(shù)的硅微機(jī)械傳感器以其體積小、重量輕、抗強(qiáng)輻射、易于批量化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)受到人們的親睞。尤其是硅微加速度傳感器作為一種慣性器件，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于航天航空、自動(dòng)控制、振動(dòng)測(cè)試、生物、化學(xué)和醫(yī)學(xué)分析等日常生活領(lǐng)域。
[0003]硅微機(jī)械加速度傳感器因其敏感機(jī)理不同而分為壓阻式，壓電式，電容式等，其中壓阻式加速度傳感器非線性度小、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)對(duì)研究人員有著很大的吸引力，但其靈敏度不如壓電式和電容式加速度傳感器的靈敏度高?，F(xiàn)有的三軸壓阻式加速度傳感器，其輸出信號(hào)的檢測(cè)通常采用至少使用12個(gè)壓敏電阻，每4個(gè)連接成一個(gè)惠斯通電橋檢測(cè)一個(gè)方向輸出信號(hào)的“單向檢測(cè)”方法，采用該種檢測(cè)方法的三軸壓阻式加速度傳感器其檢測(cè)靈敏度較低，并且有較高的橫向耦合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，而提供一種基于雙路循環(huán)電橋檢測(cè)的三軸壓阻式加速度傳感器。 [0005]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種基于雙路循環(huán)電橋檢測(cè)的三軸壓阻式加速度傳感器，包括支撐邊框、彈性懸臂梁以及通過(guò)彈性懸臂梁支懸于支撐邊框中心位置的中心質(zhì)量塊，中心質(zhì)量塊的四個(gè)邊分別通過(guò)兩根平行的彈性懸臂梁與支撐邊框固定，支撐邊框的下表面超出中心質(zhì)量塊的下表面，且支撐邊框下表面通過(guò)硅-硅鍵合技術(shù)鍵合有硅基座；連接支撐邊框和中心質(zhì)量塊的八根彈性懸臂梁上對(duì)稱均布有十六個(gè)阻值相等的應(yīng)變壓敏電阻:RX11、Rxi2> Rxi3> RX14、Rx21 >Rx22、Rx23、Rx24、^Yl I > Ry12、Ry13、Ry14、Ry21、Ry22、Ry23、^y24? 其中，


R X13 和 R X21 位于X方向四根彈性懸臂梁中左上方的彈性懸臂梁上，Rxi4和Rx22位于X方向四根彈性懸臂梁中右上方的彈性懸臂梁上，Rx23和Rxil位于X方向四根彈性懸臂梁中左下方的彈性懸臂梁上，Rx24和Rxi2位于X方向四根彈性懸臂梁中右下方的彈性懸臂梁上，Ry23和Ryii位于Y方向四根彈性懸臂梁中左上方的彈性懸臂梁上，Ry13和Ry21位于Y方向四根彈性懸臂梁中右上方的彈性懸臂梁上，Ry24和Ry12位于Y方向四根彈性懸臂梁中左下方的彈性懸臂梁上，Ryi4和Ry22位于Y方向四根彈性懸臂梁中右下方的彈性懸臂梁上；每根彈性懸臂梁上的兩個(gè)壓敏電阻分別位于彈性懸臂梁的兩端，其中，Rx13> Rxl4> Rx23> Rx24> Ry23> Ryi3> Ry24> Ryi4位于彈性懸臂梁上靠近中心質(zhì)量塊的一端，Rx2I > Κχ22 > Rxil > RX12 > Ryil > RY21 > RY12 > RY22位于彈性懸臂梁上靠近支撐邊框的一端；Rxil、Rxi2、Rxi3、Rxi4、Ryi1、Ry12、Ry13、Ryi4八個(gè)應(yīng)變壓敏電阻連接成第一路循環(huán)電橋檢測(cè)電路，其中，Rxil和Rxi3上下串聯(lián)成第一支路，Rxi2和Rxi4上下串聯(lián)成第二支路，Ryi4和Ry12上下串聯(lián)成第三支路，Ry13和Ryii上下串聯(lián)成第四支路，第一支路、第二支路、第三支路和第四支路之間并聯(lián)連接，第一支路、第二支路、第三支路和第四支路的上端共同連接為第一路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的一個(gè)輸入端Vcc，第一支路、第二支路、第三支路和第四支路的下端共同連接為第一路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的另一個(gè)輸入端GND，第一支路的RX11、Rxi3之間和第二支路的RX12、RX14之間為第一路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的第一個(gè)輸出端X1，第二支路的RX12、Rxi4之間和第三支路的RY14、Ry12之間為第一路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的第二個(gè)輸出端Z11,第三支路的RY14、Ry12之間和第四支路的RY13、Ryu之間為第一路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的第三個(gè)輸出端Y1，第四支路的RY13、RY11之間和第一支路的RX11、RX13之間為第一路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的第四個(gè)輸出端Z12 ;RX21、Rx22, Rx23> Rx24> Ry21 > Ry22> Ry23> Ry24八個(gè)應(yīng)變壓敏電阻連接成第二路循環(huán)電橋檢測(cè)電路，其中，Rx21和Rx23上下串聯(lián)成第五支路，Rx22和Rx24上下串聯(lián)成第六支路，Ry24和Ry22上下串聯(lián)成第七支路，Ry23和Ry21上下串聯(lián)成第八支路，第五支路、第六支路、第七支路和第八支路之間并聯(lián)連接，第五支路、第六支路、第七支路和第八支路的上端共同連接為第二路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的一個(gè)輸入端Vcc，第五支路、第六支路、第七支路和第八支路的下端共同連接為第二路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的另一個(gè)輸入端GND，第五支路的RX21、Rx23之間和第六支路的RX22、Rx24之間為第二路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的第一個(gè)輸出端X2，第六支路的RX22、RX24之間和第七支路的RY24、RY222間為第二路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的第二個(gè)輸出端Z21，第七支路的RY24、Ry22之間和第八支路的RY23、Ry21之間為第二路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的第三個(gè)輸出端Y2，第八支路的RY23、Ry21之間和第五支路的RX21、Rx23之間為第二路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的第四個(gè)輸出端Z22。
[0006]在第一路循環(huán)電橋檢測(cè)電路中，四個(gè)應(yīng)變壓敏電阻RX11、Rxi2> Rxi3> Rxi4組成一個(gè)電橋，用來(lái)檢測(cè)X方向的輸出電壓VtjutXl ;四個(gè)應(yīng)變壓敏電阻RY11、RY12、RY13、RY14組成一個(gè)電橋，用來(lái)檢測(cè)Y方向的輸出電壓VtjutYI ；四個(gè)應(yīng)變壓敏電阻Rxi2、Ryi4、Ry12、Rxi4組成一個(gè)電橋，用來(lái)檢測(cè)Z方向的輸出電壓VtjutZ11 ;四個(gè)應(yīng)變壓敏電阻Rxn、RY13、Ryi1、Rxi3組成一個(gè)電橋，用來(lái)檢測(cè)Z方向的輸出電壓VtjutZll,并且這兩個(gè)輸出電壓疊加之后得到的VwtZll+ VoutZll=VoutZl就是Z方向的輸出電壓。
[0007]在第二路循環(huán)電橋檢測(cè)電路中，四個(gè)應(yīng)變壓敏電阻Rx21、Rx22、Rx23、Rx24組成一個(gè)電橋，用來(lái)檢測(cè)X方向的輸出電壓U2 ;四個(gè)應(yīng)變壓敏電阻Ry21、Ry22、Ry23、Ry24組成一個(gè)電橋，用來(lái)檢測(cè)Y方向的輸出電壓U2 ；四個(gè)應(yīng)變壓敏電阻Rx22、RY24、Ry22、Rx24組成一個(gè)電橋，用來(lái)檢測(cè)Z方向的輸出電壓V-Z21 ；四個(gè)應(yīng)變壓敏電阻Rx21、RY23、Ry21、Rx23組成一個(gè)電橋，用來(lái)檢測(cè)Z方向的輸出電壓ν_Ζ22，并且這兩個(gè)輸出電壓疊加之后得到的VwtZ21+ V0UtZ22=V0UtZ2就是Z方向的輸出電壓。
[0008]本發(fā)明傳感器是將“8梁一質(zhì)量塊”結(jié)構(gòu)的三軸加速度傳感器的8根梁上的16壓敏電阻分成兩組，每一組的8個(gè)壓敏電阻組成一個(gè)循環(huán)檢測(cè)電橋(第一、二路循環(huán)電橋檢測(cè)電路)，將兩個(gè)循環(huán)檢測(cè)電橋X、Y、Z方向的輸出信號(hào)分別通過(guò)LM224運(yùn)放集成芯片連接反相加法電路進(jìn)行疊加，作為最終的輸出信號(hào)。
[0009]對(duì)于“8梁一質(zhì)量塊”結(jié)構(gòu)的三軸加速度傳感器來(lái)說(shuō)，從16個(gè)壓敏電阻中合理的選擇8個(gè)壓敏電阻組成一個(gè)單路循環(huán)檢測(cè)電橋(第一、二路循環(huán)電橋檢測(cè)電路)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸加速度傳感器三個(gè)方向輸出信號(hào)的檢測(cè)。若將16個(gè)壓敏電阻分為兩組，組成一個(gè)雙路循環(huán)檢測(cè)電橋(第一路循環(huán)電橋檢測(cè)電路+第二路循環(huán)電橋檢測(cè)電路)，即將兩個(gè)單路循環(huán)檢測(cè)電橋X、Y、Z方向的輸出電壓分別相加作為最終的輸出電壓，采用這種雙路循環(huán)檢測(cè)電橋的輸出電壓將是單路循環(huán)檢測(cè)電橋輸出電壓的2倍。與“單向檢測(cè)法”相比，雙循環(huán)電橋檢測(cè)法可以提高傳感器的靈敏度同時(shí)降低其橫向耦合。
[0010]為了驗(yàn)證本發(fā)明雙路循環(huán)電橋檢測(cè)法在提高三軸加速度傳感器靈敏度方面的優(yōu)越性，采用Ansys有限元仿真軟件對(duì)三軸加速度傳感器進(jìn)行模型建立與受力分析，分別在加速度傳感器三個(gè)方向施加Ig的加速度載荷，得到傳感器結(jié)構(gòu)的形變圖，如圖5、6、7。通過(guò)在懸臂梁上定義路徑，提取路徑數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)找出懸臂梁上兩個(gè)壓敏電阻變化量相等的位置，即為所加工三軸加速度傳感器懸臂梁上壓敏電阻的實(shí)際位置。將懸臂梁上壓敏電阻所在位置的受力通過(guò)路徑提取，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算得到加速度傳感器的靈敏度和橫向耦合。表I是采用循環(huán)電橋檢測(cè)法的加速度傳感器的靈敏度和橫向耦合。
[0011]表1.
【權(quán)利要求】
1. 一種基于雙路循環(huán)電橋檢測(cè)的三軸壓阻式加速度傳感器，包括支撐邊框（1)、彈性 懸臂梁（2)以及通過(guò)彈性懸臂梁（2)支懸于支撐邊框（1)中心位置的中心質(zhì)量塊（3)，中心 質(zhì)量塊（3)的四個(gè)邊分別通過(guò)兩根平行的彈性懸臂梁（2)與支撐邊框（1)固定，支撐邊框 (1)的下表面超出中心質(zhì)量塊（3 )的下表面，且支撐邊框（1)下表面通過(guò)硅-硅鍵合技術(shù)鍵 合有硅基座，其特征在于：連接支撐邊框（1)和中心質(zhì)量塊（3)的八根彈性懸臂梁（2)上對(duì) 稱均布有十六個(gè)阻值相等的應(yīng)變壓敏電阻: Rxil、Rxi2、Rxi3、Rxi4、Rx21、Rx22、Rx23、Rx24、^Yll、Ryi2、 Ry13、Ry14、RY21、RY22、RY23、RY24，其中，R X13和R X21位于X方向四根彈性懸臂梁（2)中左上方的 彈性懸臂梁（2)上，RX14和RX22位于X方向四根彈性懸臂梁（2)中右上方的彈性懸臂梁（2) 上，RX23和RX11位于X方向四根彈性懸臂梁（2)中左下方的彈性懸臂梁（2)上，RX24和RX12位 于X方向四根彈性懸臂梁（2)中右下方的彈性懸臂梁（2)上，RY23和RY11位于Y方向四根彈 性懸臂梁（2)中左上方的彈性懸臂梁（2)上，RY13和RY21位于Y方向四根彈性懸臂梁（2)中 右上方的彈性懸臂梁（2)上，RY24和RY12位于Y方向四根彈性懸臂梁（2)中左下方的彈性懸 臂梁（2)上，&14和‘2位于Y方向四根彈性懸臂梁（2)中右下方的彈性懸臂梁（2)上；每 根彈性懸臂梁（2)上的兩個(gè)壓敏電阻分別位于彈性懸臂梁（2)的兩端，其中，RX13、RX14、RX23、 RX24> RY23> RY13> RY24> RY14位于彈性懸臂梁（2 )上靠近中心質(zhì)量塊（3)的一端，Rx21、Rx22、Rxll、 RX12> RY11> RY21> RY12> RY22 位于彈性懸臂梁（2)上靠近支撐邊框（1 )的一端；R)(ll、R)(12、、RY11、RY12、RY13、RY14八個(gè)應(yīng)變壓敏電阻連接成第一路循環(huán)電橋檢測(cè)電路，其中，RX11和RX13上下 串聯(lián)成第一支路，rx12和rx14上下串聯(lián)成第二支路，ry14和ry12上下串聯(lián)成第三支路，RY13和 RY11上下串聯(lián)成第四支路，第一支路、第二支路、第三支路和第四支路之間并聯(lián)連接，第一支 路、第二支路、第三支路和第四支路的上端共同連接為第一路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的一個(gè)輸 入端Vcc，第一支路、第二支路、第三支路和第四支路的下端共同連接為第一路循環(huán)電橋檢 測(cè)電路的另一個(gè)輸入端GND，第一支路的RX11、RX13之間和第二支路的RX12、RX14之間為第一路 循環(huán)電橋檢測(cè)電路的第一個(gè)輸出端Xi，第二支路的RX12、Rx14之間和第三支路的RY14、Ry12之 間為第一路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的第二個(gè)輸出端Zn，第三支路的RY14、Ry12之間和第四支路的 RY13、RY11之間為第一路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的第三個(gè)輸出端t，第四支路的RY13、RY11之間和第 一支路的Rm、Rxis之間為第一路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的第四個(gè)輸出端Z12 ;RX21、RX22、RX23、RX24、 RY21、RY22、RY23、RY24八個(gè)應(yīng)變壓敏電阻連接成第二路循環(huán)電橋檢測(cè)電路，其中，RX21和RX23上下 串聯(lián)成第五支路，RX22和上下串聯(lián)成第六支路，RY24和上下串聯(lián)成第七支路，RY23和 rY21上下串聯(lián)成第八支路，第五支路、第六支路、第七支路和第八支路之間并聯(lián)連接，第五支 路、第六支路、第七支路和第八支路的上端共同連接為第二路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的一個(gè)輸 入端VCC，第五支路、第六支路、第七支路和第八支路的下端共同連接為第二路循環(huán)電橋檢 測(cè)電路的另一個(gè)輸入端GND，第五支路的RX21、RX23之間和第六支路的RX22、RX24之間為第二路 循環(huán)電橋檢測(cè)電路的第一個(gè)輸出端X2，第六支路的RX22、RX24之間和第七支路的RY24、RY22之 間為第二路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的第二個(gè)輸出端Z21，第七支路的RY24、RY22之間和第八支路的 RY23、RY21之間為第二路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的第三個(gè)輸出端Y2，第八支路的RY23、RY21之間和第 五支路的RX21、RX23之間為第二路循環(huán)電橋檢測(cè)電路的第四個(gè)輸出端Z22。
【文檔編號(hào)】G01P15/18GK103616531SQ201310669325
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】張文棟, 何常德, 張娟婷, 張國(guó)軍, 薛晨陽(yáng), 熊繼軍, 劉俊, 杜春暉, 張永平 申請(qǐng)人:中北大學(xué)