新型压阻式加速度传感器的研究

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1、西安科技大学硕士学位论文新型压阻式加速度传感器的研究姓名：王存玲申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：刘骏跃2011论文题目：新型压阻式加速度传感器的研究专业：微电子学与固体电子学硕士生：王存玲（签名）指导教师：刘骏跃（签名）摘要压阻式硅微加速度传感器，因其具有响应快、灵敏度高、精度高、易于小型化等优点，尤其是它的低频响应好，并且该传感器在强辐射作用下能正常工作，对它的研究近年来受到重视。在工业自动控制、汽车、地震测量、军事和空间系统、医学及生物工程等领域中有着广泛的应用前景。在实

2、际工程应用当中，往往需要的加速度计既要量程适当又要灵敏度高，所以本文的研究目的是对压阻式加速度计的量程自动调节系统的研究与设计，在保证固有频率的同时，扩大加速度计的量程。本文利用静电力来实现扩程。针对量程与灵敏度兼顾问题给出了扩程的依据。调整系统电路中的控制环节是利用单片机来完成对静电驱动电压的实时控制。介绍了硅微加速度计目前的应用状况，研究了半导体压阻效应、以及应变电阻的制作工艺、悬臂梁的长度、膜厚、机械特性等对其灵敏度的影响。当加速度变化范围较大时，固定量程对其测量范围有制约。因此，引入静电力

3、来扩程，设计了单片机控制的静电伺服扩程系统电路。分析得出了电压比较器输出的逻辑电平与加速度方向关系对照表。总结了压阻式加速度计的温度特性，给出了补偿措施。对整个调节系统所需的模块电路进行了选择，并作出了相关的理论分析。讨论了MEMS器件的制作工艺，以及现有的封装技术；重点分析了悬臂梁的加工工艺，为微加速度计的研制、加工打下了基础。利用ANSYS软件对梁膜结合的悬臂梁压阻式加速度计进行了仿真。本文对悬臂梁压阻式加速度计的结构、灵敏度、量程进行了系统性分析、研究与设计。对新型压阻式加速度计的梁膜结合结

4、构、梁参数的设计进行仿真，得出的结论及结果是：悬臂梁长度增加，固有频率降低。梁厚度增加，固有频率增加，灵敏度提高。引入静电力扩程，即使在较大的加速度载荷作用下，悬臂梁的形变都不会导致梁的机械刚度失效。优化确定梁的厚度是提高加速度计性能的参考因素。优化后的测量范围为0~600g,分辨率可达0.001g。关键词：MEMS；压阻式加速度传感器；压阻效应；静电力扩程；温度补偿研究类型：应用研究Subject：ResearchofNewPiezoresistiveSensorSpecialty：Microe

5、lectronicsandSolidStateElectronicsName：WangCunLing(Signature)Instructor：LiuJunYue(Signature)ABSTRACTPiezoresistivesiliconmicro-accelerometerhasfastresponse,highsensitivity,highprecisionandcouldbeminiaturizedeasily,especiallyitisingoodlowfrequencyrespo

6、nseandcanworkunderstrongradiation.Inrecentyears,itdevelopsrapidly,andhasabroadapplicationprospectsinindustrialautomaticcontrol,automotive,seismicsurveys,militaryandspacesystems,medicalandbiologicalengineeringandotherfields.Inpracticalengineeringapplic

7、ations,itoftenrequiresbothhighsensitivityandwideappropriciaterange,soitisessentialtodesignapiezoresistivesensorwithstaticelectricityautomaticadjustmentrange,whichcouldensurethenaturalfrequencyandexpandtherangeofaccelerometer.Thisthesisusesstaticelectr

8、icitytoachievetheexpandedrange,andgivesabasistoexpandingrangeforbothrangeandsensitivity.ControllinkofadjustmentcircuitusesSCMtocompletethereal-timecontrolofelectrostaticdrivevoltage.Thispaperdescribesthecurrentsituationofsiliconmicro-accelerom