壓阻式加速度傳感器基本結構和優(yōu)缺點分析

壓阻式加速度傳感器具備體型小、易集成、功能損耗小、性能可靠、精確度高及其易于利用標準的IC技術實現集成化等優(yōu)勢，伴隨著半導體集成電路工藝的發(fā)展和微機械加工技術的成熟發(fā)展，壓阻加速度傳感器的研究也有了一定的技術突破和創(chuàng)新。

在壓阻式加速度傳感器的硅微結構中，慣性質量塊是由懸臂梁支撐的,懸臂梁上制作有應變擴散電阻。當被測物體有加速度作用時，硅微結構會隨之產生慣性力，懸臂梁在慣性力的作用下產生應力和彈性形變，懸臂梁上的擴散電阻則會產生壓阻效應，如圖1,可變的4個擴散電阻連接為wheatstone電橋，應變電阻通過電橋輸出電壓的變化，即可將加速度信號的檢測轉變?yōu)殡娦盘栞敵觥?/p>

壓阻式加速度傳感器的基本結構

伴隨著壓阻式加速度傳感器研究的不斷深入及其實現工藝的多樣性，其硅微結構種類日益繁多,除雙懸臂梁結構形式外，還有雙端支撐的4梁和5梁結構，前者靈敏度高但橫向效應大，后者橫向效應小但靈敏度較低,5梁結構靈敏度適中，且橫向效應極小。在應用研究上，壓阻式加速度傳感器又增加了自檢功能和集成CMOS電路，提高了穩(wěn)定性和可靠性，測量方向也從單軸逐漸向多軸集成測量發(fā)展。因此，不同應用的壓阻式加速度傳感器層出不窮。

減少橫向靈敏度

傳感器非敏感方向的干擾技術性能指標即是橫向靈敏度比，它的大小直接影響到傳感器對加速度信號的測量精度，減少非敏感方向的橫向干擾是壓阻式加速度傳感器研究中的難點。研究中采用計算機輔助設計技術進行結構參數優(yōu)化，使各軸之間力的傳遞得到隔離,同時利用壓阻式加速傳感器技術精密制作，使得機械結構帶來的橫向靈敏度比誤差有效降低,使非敏感方向的干擾基本得到抑制。

無人機的單片式多軸傳感器

由于科技的進步和軍事、商業(yè)市場需求日益增強,雙軸、3軸加速度傳感器的研究逐步成為焦點，最開始，人們把2個或3個加速度傳感器組合拼裝，用以檢測空間加速度，但拼裝的結構存在穩(wěn)定性差、適應范圍小、橫向靈敏度比大、裝配困難等缺點。

提出了一種用以小型無人機的單片式多傳感器。它由一個三軸壓阻式加速度計，一個壓阻式絕對壓力傳感器和一個硅熱敏電阻溫度傳感器組成。加速度計的設計采用了四個硅梁來支撐地震質量和適當的壓敏電阻器布置，以檢測三軸加速度并大大降低了跨軸靈敏度。為了使應力對溫度傳感器的影響最小，熱敏電阻沿[100]和[010]晶體方向設計。通過使用壓阻式加速傳感器體微加工技術在SOI晶圓上制造多傳感器。在制造中應用了一些有效的微加工步驟。在晶片背面上的兩步濕法各向異性蝕刻工藝可以形成多傳感器的整個背面形狀。濺射在派熱克斯玻璃上的金屬電極可以避免在陽極鍵合過程中在派熱克斯玻璃與地震物質之間發(fā)生粘連。多傳感器的芯片尺寸為4×6×0.9mm3。測量結果表明，該多傳感器適用于其應用領域。

尋找新的結構以提高其靈敏度和固有頻率

因為加速度傳感器的兩個最重要的指標是固有頻率和靈敏度,它們是相關聯(lián)并矛盾的，即頻率高則靈敏度低，頻率低則靈敏度高。因此，從最早的懸臂梁結構到現在的3梁結構，開發(fā)者圍繞著怎樣保持器件靈敏度的同時使其具有較高固有頻率而進行深入探究。

詳細介紹了一種應用液環(huán)通道和壓阻懸臂的角加速度傳感器。因為使用了該原理的設備的簡單結構和潛在的低功耗，做為角加速度的檢測原理，流體旋轉的檢測已引起關注。雖然采用這種檢測原理的現有角加速度傳感器具備對圍繞目標軸的角加速度的高靈敏度的潛力，可是串擾仍是一個問題，尤其是在圍繞其他軸的角加速度和線性加速度的情況下的串擾。在這里，我們提出一種角加速度傳感器，該傳感器應用壓阻懸臂做為傳感元件和兩個鏡面對稱的環(huán)形通道。這種鏡像對稱性抵消了因為圍繞其他軸的加速度而產生的信號，繞目標軸的角加速度信號加倍。實驗結果顯示，對其他軸向角加速度和線性加速度的靈敏度足夠小。角加速度的靈敏度高達3.1×10-4（rad/s2）-1，類似于理論預測。靈敏度的值在0.1Hz至100Hz的頻率范圍內保持。因此，所提出的傳感器適用于實際的角加速度檢測應用。

壓阻式加速度傳感器優(yōu)缺點分析

利用壓阻式加速度傳感器技術實現傳感器的制作手段不斷增強，但在相關研究方面還存在很多問題，有一些共性難題沒有完全解決。如:如何減少硅微結構的遲滯和溫漂，提高性能；如何尋找應變系數更大的材料，使加速度傳感器具有相對較大的靈敏度；如何采用合理的結構實現結構在各方向解耦，實現對橫向干擾的抑制等，分析近年來國內外的研究動態(tài)及焦點,可以看出有以下幾點發(fā)展趨勢；

(1)高分辨率和大量程的壓阻式加速度傳感器(如500,1000,10000g等)成為研究的重點；

(2)智能化補償傳感器,解決其固有的溫漂、遲滯等；

(3)選擇合理簡潔的壓阻式加速傳感器工藝,降低成本；

(4)壓阻式加速度傳感器電子封裝技術的研究。

隨著壓阻式加速度傳感器市場需求的擴大，壓阻式加速度傳感器工藝水平將得到提高，而且多晶硅、SiC作為壓阻材料的應用,其研究進展將逐步增強。