專利名稱：一種多懸臂梁加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及到一種平面振動(dòng)懸臂梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器。本發(fā)明用來解決加速度傳感器靈敏度與抑制交叉耦合能力兩者之間的矛盾，即在保證結(jié)構(gòu)抑制交叉耦合能力不變的情況下，提高結(jié)構(gòu)的靈敏度；保證結(jié)構(gòu)靈敏度不變的情況下，提高結(jié)構(gòu)對(duì)非敏感方向的抑制能力。
背景技術(shù)：
微機(jī)械加速度傳感器是一種重要的慣性測(cè)量器件，具有體積小、重量輕、響應(yīng)快、 易于加工等優(yōu)點(diǎn)。高g加速度傳感器是對(duì)高量程加速度傳感器的統(tǒng)稱，廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)撞擊過程及高速運(yùn)動(dòng)過程中沖擊載荷的測(cè)量。目前，高g值加速度傳感器主要為壓阻式加速度傳感器，由于其結(jié)構(gòu)及外部檢測(cè)電路簡(jiǎn)單被廣泛應(yīng)用。壓阻式加速度傳感器的工作原理是基于硅材料等的壓阻效應(yīng)，相比于其他類型的加速度傳感器，其靈敏度一般較低，并且抑制交叉耦合能力較弱。加速度傳感器結(jié)構(gòu)主要包括懸臂梁、質(zhì)量塊、壓敏電阻。其中懸臂梁主要分為單端懸臂梁和雙端固支梁，其主要作用是連接質(zhì)量塊與基體，同時(shí)其剛度的大小決定著結(jié)構(gòu)的量程與固有頻率。在早期的加速度傳感器中，懸臂梁與質(zhì)量塊不等高，采用平面外振動(dòng)的方式(如附圖1所示)，該種結(jié)構(gòu)形式的梁由于其剛度較小，固有頻率較低，抗沖擊能力較弱， 交叉耦合也較大(非敏感方向?qū)γ舾蟹较蛏系挠绊?，由于與質(zhì)量塊不等高，梁的厚度在加工中很難保證不同的圓片之間相同，即加工重復(fù)性較差，難以滿足高性能加速度計(jì)的要求。 在后來的加速度傳感器中，采用懸臂梁的厚度與質(zhì)量塊同等高度(如附圖2所示)，該種懸臂梁結(jié)構(gòu)形式剛度較大，極大的提高了結(jié)構(gòu)的固有頻率，同時(shí)也加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗高沖擊能力， 但該種形式結(jié)構(gòu)的梁在抑制非敏感方向載荷較好的情況下，就要求梁的剛度較大，從而使得在敏感方向上的靈敏度較低，在保證敏感方向靈敏度不變的情況下，結(jié)構(gòu)的交叉耦合較大。對(duì)于加速度傳感器，提高其靈敏度與抑制交叉耦合的能力是至關(guān)重要的。因此，設(shè)計(jì)一種懸臂梁來提高傳感器結(jié)構(gòu)的靈敏度和抑制交叉耦合的能力，解決兩者之間的矛盾成為加速度傳感器發(fā)展和應(yīng)用的主要技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有的加速度傳感器存在的靈敏度和抑制交叉耦合的能力不能兼顧的矛盾，提供一種用于提高加速度傳感器結(jié)構(gòu)靈敏度及抑制交叉耦合能力的多懸臂梁加速度傳感器。本發(fā)明采用的技術(shù)方案
一種多懸臂梁加速度傳感器，包括質(zhì)量塊，質(zhì)量塊的側(cè)面設(shè)有懸臂梁，懸臂梁上設(shè)有壓敏電阻，其特征在于所述懸臂梁由兩個(gè)及兩個(gè)以上的與質(zhì)量塊等高的子懸臂梁組成。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，可以有以下進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)方案質(zhì)量塊的一個(gè)側(cè)面設(shè)有兩個(gè)及兩個(gè)以上的與質(zhì)量塊等高的子懸臂梁，或質(zhì)量塊的兩個(gè)側(cè)面分別設(shè)有兩個(gè)及兩個(gè)以上的與質(zhì)量塊等高的子懸臂梁。本發(fā)明提供的設(shè)計(jì)原理如下
根據(jù)剛度公式可以知道，當(dāng)懸臂梁的長(zhǎng)度7—定時(shí)，此時(shí)梁的彎矩剛度由梁的慣性距所決定。根據(jù)慣性矩公式可以知道，當(dāng)梁的寬度力一定時(shí)，其慣性矩的大小與梁的厚度力為三次方關(guān)系。當(dāng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量塊尺寸不變時(shí)，即在外界載荷相同的條件下，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力大小相同，設(shè)將橫截面積為^的單根梁分為#根同等厚度的小懸臂梁，小梁的面積之和為兒厚度為A/Nb，其中小梁的根數(shù)需要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工工藝進(jìn)行選擇，則對(duì)于如圖3所示結(jié)構(gòu)X方向有載荷時(shí)，#根梁結(jié)構(gòu)與單梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大小和微位移是相同的，即對(duì)非敏感方向上載荷的抑制能力相同，對(duì)于Y方向的載荷，即為敏感方向，當(dāng)為單塊梁時(shí)， 梁的彎矩剛度為當(dāng)單塊梁分為多齒小梁后其單根梁剛度為先=fi^/4/W，由于單塊梁分為#根小梁，在理想情況下設(shè)多根小梁的彎曲一致，則多根梁的總體剛度為“ =EA3Afb2U30由公式可以得出，采用多個(gè)平面振動(dòng)懸臂梁可以極大的降低梁在敏感方向上的剛度，而在非敏感方向上剛度不變，從而在保證非敏感方向載荷的抑制作用下，有效的提高了結(jié)構(gòu)的靈敏度，相反即在保證結(jié)構(gòu)靈敏度不變的情況下，提高了結(jié)構(gòu)對(duì)非敏感方向載荷影響的抑制能力。此種梁的設(shè)計(jì)在雙端固支梁也有同樣的功能。本發(fā)明的多個(gè)子懸臂梁結(jié)構(gòu)，即該種結(jié)構(gòu)的懸臂梁由兩個(gè)及兩個(gè)以上剛度較小的子懸臂梁組成，其可以在不改變結(jié)構(gòu)對(duì)非敏感方向載荷抑制的條件下，極大的提高結(jié)構(gòu)的靈敏度；在結(jié)構(gòu)靈敏度不變的情況下，極大的提高結(jié)構(gòu)的抑制交叉耦合能力。同時(shí)懸臂梁采用與質(zhì)量塊等高結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)加工。


圖1是幾種傳統(tǒng)的加速度傳感器結(jié)構(gòu)a.單端不等高懸臂梁的加速度傳感器結(jié)構(gòu)b.現(xiàn)有的單端懸臂梁與質(zhì)量塊等高的加速度傳感器結(jié)構(gòu)c.現(xiàn)有的雙端懸臂梁的加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例一、實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)a.實(shí)施例一的單端五個(gè)子懸臂梁加速度傳感器結(jié)構(gòu)b.實(shí)施例一的單端五個(gè)子懸臂梁加速度傳感器三位結(jié)構(gòu)c.實(shí)施例二的雙端五個(gè)子懸臂梁加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖3單端單塊懸臂梁加速度傳感器與單端五個(gè)子懸臂梁加速度傳感器在IOOOg載荷作用下敏感方向與非敏感方向微位移圖仿真圖，其中
(a)Y敏感方向，左邊為單塊懸臂梁結(jié)構(gòu)，右邊為五個(gè)子懸臂梁結(jié)構(gòu)；
(b)X方向，左邊為單塊懸臂梁結(jié)構(gòu)，右邊為五個(gè)子懸臂梁結(jié)構(gòu)；
(c)Z方向，左邊為單塊懸臂梁結(jié)構(gòu)，右邊為五個(gè)子懸臂梁結(jié)構(gòu)；
圖4雙端單塊懸臂梁加速度傳感器與雙端五個(gè)子懸臂梁加速度傳感器在IOOOg載荷作用下敏感方向與非敏感方向微位移圖仿真圖，其中
(a)Y敏感方向，左邊為雙端單塊懸臂梁結(jié)構(gòu)，右邊為雙端五個(gè)子懸臂梁結(jié)構(gòu)；
(b)X方向，左邊為雙端單塊懸臂梁結(jié)構(gòu)，右邊為雙端五個(gè)子懸臂梁結(jié)構(gòu)；
(c)Z方向，左邊為雙端單塊懸臂梁結(jié)構(gòu)，右邊為雙端五個(gè)子懸臂梁結(jié)構(gòu)；實(shí)例一，單端五個(gè)子懸臂梁加速度傳感器
本發(fā)明提供的單端五個(gè)子懸臂梁加速度傳感器，如圖2中的a、b所示，質(zhì)量塊尺寸為 100 ( μ m) X 100 ( μ m) X 100 ( μ m)，質(zhì)量塊左端(一側(cè))設(shè)有五根子懸臂梁，每個(gè)子懸臂梁的尺寸為 100 ( μ m) X 4 ( μ m) X 100 ( μ m)。采用本實(shí)施例提供的單端五個(gè)子懸臂梁加速度傳感器，與現(xiàn)有的單端單塊懸臂梁加速度傳感器對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，單端單塊懸臂梁加速度傳感器如圖Ib所示質(zhì)量塊尺寸為 100 ( μ m) X 100 ( μ m) X 100 ( μ m)，單塊懸臂梁尺寸為 100 ( μ m) X 20 ( μ m) X 100 ( μ m)。外界載荷為1000g，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行分析仿真，結(jié)果如圖 3a、圖北、圖3c所示。通過圖中可以看出使用單塊懸臂梁結(jié)構(gòu)其梁末端在敏感方向(Y方向)和非敏感方向(X、Z方向)的微位移分別為0. 112E-8 (m)、0· 685E-11 (m)、0· 918E-10 (m)， 使用五個(gè)子懸臂梁結(jié)構(gòu)器梁末端在敏感方向(Y方向)和非敏感方向(X、Z方向)的微位移分別為0. 479E-8 (m)、0. 666E_ll(m)、0. 911E-10 (m)。通過仿真數(shù)據(jù)可以看出，采用五個(gè)子懸臂梁結(jié)構(gòu)在敏感方向上的微位移大于單塊懸臂梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)兩者在非敏感方向的微位移幾乎相同，這也證明了采用多懸臂梁在保證對(duì)非敏感方向抑制能力不變的前提下，提高了敏感方向上的靈敏度。實(shí)例二 雙端五個(gè)子懸臂梁加速度傳感器
本發(fā)明的雙端五個(gè)子懸臂梁加速度傳感器，如圖2c所示，質(zhì)量塊尺寸為 100 ( μ m) X 100 ( μ m) X 100 ( μ m)，質(zhì)量塊兩端分別設(shè)有五個(gè)子懸臂梁，每個(gè)子懸臂梁的尺寸為 100 ( μ m) X 4 ( μ m) X 100 ( μ m)。實(shí)驗(yàn)對(duì)比的雙端單懸臂梁加速度傳感器如圖Ic所示，質(zhì)量塊尺寸為 100 ( μ m) X 100 ( μ m) X 100 ( μ m)，兩端單塊懸臂梁尺寸為 100 ( μ m) X 20 ( μ m) X 100 ( μ m)。外界載荷為1000g，利用ANSYS進(jìn)行分析仿真，結(jié)果如圖4a、圖4b、圖如所示。通過圖中可以看出使用單塊懸臂梁結(jié)構(gòu)其梁末端在敏感方向(Y方向)和非敏感方向(X、Z方向)的微位移分別為0. 125E-9(m)、0.472E-ll(m)、0. 184E-10 (m)；使用五個(gè)子懸臂梁結(jié)構(gòu)器梁末端在敏感方向(Y方向)和非敏感方向(X、Z方向)的微位移分別為0. 236E-8(m)、 0. 409E-11 (m)、0. 200E-10(m)。通過仿真數(shù)據(jù)可以看出，采用五個(gè)子懸臂梁結(jié)構(gòu)在敏感方向上的微位移大于單塊懸臂梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)兩者在非敏感方向的微位移幾乎相同，這也證明了采用多懸臂梁在保證對(duì)非敏感方向抑制能力不變的前提下，提高了敏感方向上的靈敏度。
權(quán)利要求
1.一種多懸臂梁加速度傳感器，包括質(zhì)量塊，質(zhì)量塊的側(cè)面設(shè)有懸臂梁，懸臂梁上設(shè)有壓敏電阻，其特征在于所述懸臂梁由兩個(gè)及兩個(gè)以上的與質(zhì)量塊等高的子懸臂梁組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多懸臂梁加速度傳感器，其特征在于質(zhì)量塊的一個(gè)側(cè)面設(shè)有兩個(gè)及兩個(gè)以上的與質(zhì)量塊等高的子懸臂梁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多懸臂梁加速度傳感器，其特征在于質(zhì)量塊的兩個(gè)側(cè)面分別設(shè)有兩個(gè)及兩個(gè)以上的與質(zhì)量塊等高的子懸臂梁。
全文摘要
一種多懸臂梁加速度傳感器，包括質(zhì)量塊，質(zhì)量塊的側(cè)面設(shè)有懸臂梁，懸臂梁上設(shè)有壓敏電阻，其特征在于所述懸臂梁由兩個(gè)及兩個(gè)以上的與質(zhì)量塊等高的子懸臂梁組成。本發(fā)明的多個(gè)子懸臂梁結(jié)構(gòu)，其可以在不改變結(jié)構(gòu)對(duì)非敏感方向載荷抑制的條件下，極大的提高結(jié)構(gòu)的靈敏度；在結(jié)構(gòu)靈敏度不變的情況下，極大的提高結(jié)構(gòu)的抑制交叉耦合能力。同時(shí)懸臂梁采用與質(zhì)量塊等高結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)加工。
文檔編號(hào)B81B3/00GK102401841SQ20111025358
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者徐棟, 方澍, 汪祖民, 郭群英, 黃斌 申請(qǐng)人:華東光電集成器件研究所