3140型压阻式微硅加速度计测试与分析

　　1　引言

　　近年来,随着微米/纳米技术的迅速发展,在加速度计的研制领域也融入了这项技术,出现了微型加速度计。自从1977年美国Stanford大学等单位开始在硅片上采用微加工工艺生产微硅加速度计(MSA)以来,MSA得到了不断的改进与完善。由于硅材的广泛使用,大大提高了MSA的温度稳定性和适应环境的能力。并且根据硅的特点,使大批量生产成为可能,从而降低了生产成本。

　　当一块半导体材料在某一晶向上受到应力时,其电阻率就会产生一定的变化,也就是所谓的压阻效应。压阻式加速度计利用了半导体材料的压阻效应,性能足以同压电式、应变仪式和伺服加速度计相媲美,而其生产成本却低得多。

　　3140型压阻式微硅加速度计是美国IC Sensors公司的产品。IC Sensors公司自从1982年成立以来,一直致力于硅微细加工技术的研究与商业化,目前已处于该领域世界领先地位。3140型压阻式微硅加速度属于第三代传感器,即全固态传感器,它的壳体材料采用充碳的UltemTM塑料,可屏蔽噪声,其全部重量(包括电缆)为13g.它采用了一体化设计,即把敏感元件、高精度稳压电源、温度补偿装置以及对输出信号进行放大与调节的电子线路集成在一片单晶硅上。这种设计有利于实现微型化以及提高抗干扰性、一致性和可靠性。

　　2　结构与工作原理

　　3140型压阻式微硅加速度计结构如图1所示。它是由一片单晶硅通过体微机械技术加工而成。采用体微机械技术而没有使用表面微机械技术的原因是为了能够充分利用硅片的厚度来加工敏感质量块,这样可以增大输出信号。整个加速度计采用了3层结构,上层为顶盖,由凹槽、限位装置和自检电极组成;中间层由框架、一个敏感质量块和4根悬臂梁组成;下层为底盖,由凹槽和限位装置组成。这种设计有利于减小体积和重量,并可以极低的成本批量生产。

　　顶盖和底盖上都装有限位装置,保证悬臂梁不会因过度的形变而毁坏,从而提高了耐振与抗冲击能力。顶盖与底盖的凹槽同中间层构成两个空腔,形成空气阻尼。不同的凹陷程度提供不同的阻尼系数。合适的阻尼可以拓展加速度计的有效频带,同时可以消除共振时破裂的危险。

　　顶盖上的两个自检电极用于检测时输入模拟加速度信号。中间层的四根悬臂梁位于敏感质量块两端的上、下表面上。每根悬臂梁被植入两个压敏电阻,上表面两根悬臂梁的4个电阻接成了惠斯登电桥的形式,满足电桥四臂的阻值和电阻温度系数相等,并且相邻两臂的压阻效应数值相等,符号相反。在惠斯登电桥的一组对角上接有稳压源,当沿敏感方向有加速度输入时,敏感质量块将沿惯性力方向产生位移,于是悬臂梁产生弯曲变形,植入的压敏电阻受压后阻值发生变化,这样,在惠斯登电桥的另一组对角上可以引出与加速度信号成比例的输出信号。