一种压阻式线加速度计 2

1 应用背景介绍应用背景介绍 惯性传感器是检测和测量加速度 倾斜 冲击 振动 旋转和多自由度运 动的传感器 惯性传感器是解决导航 定向和运动载体控制的重要部件 MEMS 惯性传感器体积小 重量轻 价格低及耐冲击加速度高的特点 使许多 常规战术武器装备惯性测量装置的应用成为可能 如 智能炮弹 短程战术导 弹 精确制导炸弹 鱼雷 水雷 各类常规火控系统火箭弹 航弹的姿态控制 和稳定系统 此外 在航空航天飞行旗控制领域 舰船测控技术领域 汽车自 动驾驶技术领域 工业测控技术领域 桥路建设技术领域 地质勘探技术领域 等都得到了广泛的应用 例如 小型飞行器的制导 稳定系统 无人机的航姿 系统及航模的自动控制系统都已逐渐开始使用角加速度和线加速度传感器 工 业机器人 摄像机 航空摄影 地震监测 医用器械 体育器械 气象观测 电视转播等行业也越来越多地使用 MEMS 惯性传感器 MEMS 惯性传感器可分为角速率陀螺和线加速度计 线加速度计是指将受 控或被测对象沿某一直线方向的运动加速度转换成电信号或其它形式信号的装 置 所有加速度计的工作原理都可以用牛顿第二运动定律描述 敏感质量体是 加速度检测中的关键部件 一个质量块被加速时 就存在一个正比于加速度作 用的力 通过测量该力即可检测到加速度 线加速度计经过数十年的持续发展 已经变得更精确 更廉价 更小 更轻 耗能更少 全数字化 小型化 固体 化和耐高过载是今后线加速度计的主要发展方向 而且由于电子技术的大幅度 发展 通过使用数字电子电路和计算机技术可以使得线加速度计变得更简单 线加速度计又可分为机械式线加速度计 挠性线加速度计 MEMS 硅 石英 线加速度计 含压阻 压电线加速度计 石英挠性线加速度计等 具体来说 由发展时间的先后依次是 三 四十年代的摆式积分陀螺加速度计和宝石轴承 摆式加速度计 六十年代中期开始发展起来的液浮摆式加速度计 挠性加速度 计 压电加速度计 电磁加速度计等 七十年代以后是静电加速度计 激光加 速度计 目前除了上述各类加速度计不断改进提高之外 其他基于新支承形式 新材料 新工艺的加速度计正在迅速发展 2 传感器结构及工作原理传感器结构及工作原理 压阻式加速度计是一种测量瞬时加速度的传感器 具有体积极小 直径十 几毫米 长仅三十毫米左右 重量极轻 仅十几克 灵敏度高和低频响应特 性好等特点 我设计的压阻式线性加速度计如图 1 所示 图 1 压阻式加速度计的结构 如图 1 中所示 弹性体的应变梁 5 的一端与底座 7 固定连接 另一端与 质量为 m 的重块 4 固定连接 在 5 两面贴有两片相同的应变电阻 6 也可 作淡硼扩散形成应变电阻 阻值分别为 R 和 R 它们在受拉伸时电阻值 增加 受压缩式减小 外接电阻 R 和 R 与 R 和 R 构成惠斯通电桥 U 为稳压的直流电源电压 e 为与被测加速度成正比的输出信号电压 外壳 与底座 固定连接 内充满阻尼油 是装在 上的塑料泡沫阻尼器 加速度计的工作原理是依据牛顿第二定律建立的 即质量块在加速度作 用下将产生一个相对的惯性力 如图 中的敏感结构 质量块 m 可将这个 惯性力转换成一个与之相应的应变梁 的变形 梁的变形引起贴在其上下 的两块电阻的阻值变化 进一步引起输出信号电压 e 的变化 如此便可利 用压阻应变计将这一变形检出 以此实现对外界线加速度的测量 3 理论分析理论分析 3 1 悬臂梁结构分析 图 2 为敏感结构示意图 和 分别为梁和质量块的长 1 a 1 b 1 h 2 a 2 b 2 h 高和宽 质量块的质量为 m 当芯片以加速度运动时 质量块产生的惯性力 z a 为 由于质量块相对于梁来说 可视为刚体 梁的质量可以忽略 所以可 z Ma 认为惯性力作用在质量块的质心 图 2 悬臂梁敏感结构 下面讨论应力分布 在区域 段即悬臂梁上任意一点的应力 1 a xyEY 1 其中 Y 为该点距梁中平面为零的坐标距离 y x 为该点的挠度 取该点 的一个单元x 求得该点的惯性矩为 xyEIxM 2 外力 F 在该点产生的弯矩 0 MFxxM 3 由力矩平衡原理且 0 1 MFx EI xy 4 2 2 1 a ax EI ma xy z 5 将式 5 代入 1 可知悬臂梁上表面 的应力为 2 1 hY 2 6 2 1 2 11 a ax hb maz 3 2 压阻式微加速度计的信号检测电路 根据欧姆定律 导体或半导体材料的电阻 6 ALR 其中 是电阻率 L 是导体长度 A 是导体或半导体的截面积 微分后得 7 L dLd R dR 21 引用 8 d 则式 7 可以写成 9 KE L dL E L dL R dR 21 21 21 式中 是压阻系数 是应力 E 是弹性模量 是泊松比 是应变 是灵敏系数 对半导体来说比大的多 故可以 21 EKE 21 21 忽略 因而其电阻的相对变化可以写为 18 RR 半导体材料的电阻变率化主要由引起 而金属材料的电阻变RR 化率主要由引起 因此半导体材料的压阻式传感器要比金属应变式传感 21 器的灵敏度系数高 1 2 个数量级 受力后力敏电阻的变化率等于电阻率变化率 而RR 19 tt 11 式中 分别为纵向压阻系数和横向压阻系数 分别为纵向应 1 t 1 t 力和横向应力 力敏电阻受力后 R R 的增减主要取决于应力的正负 当加速度计受到加速度 a 时 质量块 m 会把加速度转化为惯性力 F 这个力使加速度计的梁发生形变 从而在梁上产生应力 应力变化再maF 使力敏电阻的阻值发生变化 最后由惠斯通电桥输出电压的变化 3 3 加速度计的物理模型 本压阻式线加速度计的物理模型如图 所示 M 为重块质量 C 为重块运 动时的介质阻尼系数 K 为应变梁弹性系数 x 为被测对象 即底座 的位移 y 为重块 m 的质心相对于底座的轴线位移 图 3 加速度计物理模型 由图 3 可知 重块 m 的运动方程为 2 2 2 2 m dt xd mKy dt dy C dt yd 6 被测加速度 2 2 a dt xd 7 等强度梁的弹性系数 K 为 3 3 6 E a bh K 8 其无阻尼固有频率为 ma Ebh m 3 3 6 K 9 3 4 结论 压阻式线加速度计结构简单 体积小 性价比高 压阻式线加速度计的灵敏度与敏感部件重块质量 m 呈正比其刚度 K 呈反比 压阻式线加速度计的动态范围和反应时间与其固有频率呈正比 若要提高压 阻式