一種新型的壓阻式硅微二維加速度計(jì)的設(shè)計(jì)

1、第9期張國(guó)軍等：一種新型的壓阻式硅微二維加速度計(jì)的設(shè)計(jì)1941設(shè)計(jì)出的新型二維加速度計(jì)微結(jié)構(gòu)包括兩部分：四梁微結(jié)構(gòu)和剛硬柱體。四梁微結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)的壓阻式MEMS工藝加工而成，將壓敏電阻放置在四梁的敏感部位，再將剛硬柱體固定在四梁微結(jié)構(gòu)的中心連接體處。加速度計(jì)微結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1A3Dviewoftheaccelerometer由壓阻效應(yīng)原理可知，彈性梁上敏感結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能由壓敏電阻的阻值變化來(lái)反應(yīng)。因此，當(dāng)

2、有加速度信號(hào)作用于剛硬柱體時(shí)，柱體將會(huì)將感受到的信號(hào)傳遞給敏感結(jié)構(gòu)，使梁產(chǎn)生應(yīng)力變化，植入其上的壓敏電阻的電阻值便發(fā)生變化。同時(shí)敏感電阻選用四臂惠斯通全橋方式連接。當(dāng)外加直流激勵(lì)時(shí)，電橋的變化就會(huì)被檢測(cè)出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)加速度信號(hào)的探測(cè)。如當(dāng)有沿X方向的加速度作用于微結(jié)構(gòu)時(shí)，在梁上就會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱的應(yīng)力分布，若R1和R3單元對(duì)應(yīng)的是張力，則R2和R4單元對(duì)應(yīng)的是壓力，R5、R6、R7和R8對(duì)應(yīng)的是剪切力，在梁寬度遠(yuǎn)大于梁厚度的條件下，

3、剪切應(yīng)力產(chǎn)生的形變完全可以忽略，這樣可以基本認(rèn)為R5、R6、R7和R8的電阻值變化為零，而R1、R3與R2、R4的電阻值朝相反的方向變化，考慮到該系統(tǒng)X方向和Y方向?qū)ΨQ，故X方向的分析同樣適合于Y方向。加速度計(jì)微結(jié)構(gòu)的俯視示意圖如圖2。圖2加速度計(jì)的俯視示意圖Fig.2Theplatfmoftheaccelerometer3數(shù)學(xué)模型3.1力學(xué)特性分析當(dāng)加速度計(jì)微結(jié)構(gòu)的柱體受到X方向作用力時(shí)力Fx將會(huì)在微結(jié)構(gòu)十字梁中心產(chǎn)生2個(gè)分量，沿X軸

4、方向上的水平作用力FH和繞Y軸的力矩M。圖3中(a)為彈性體承受作用后的變形情況；(b)為中心塊受力分析圖(c)為單根懸臂梁的受力情況。(a)微結(jié)構(gòu)截面承受M的變形圖(a)Movementofaccelerometerwhensubjectedtoanmalhizontalacceleration(b)中心連接體受力分析圖(b)Theresultingcenterblockdiagram(c)單根懸臂梁受力分析圖(c)Theresult