一种压阻式硅微复合量程加速度计

　　0　引言

　　在一些特殊应用场合，往往需要检测从几个g到上万g的加速度参数，如用单一的加速度计很难满足整个过程的测试要求。利用高g值加速度计进行测量和控制，它对低g值信号不敏感;如采用低量程加速度计，则不能敏感高过载信号;如果采用两个加速度计进行测量控制，由于安装位置的不同，其测得的信号又会产生位置误差。针对这一现状，文中详细介绍了一种具有四种不同量程的硅微压阻式复合量程加速度计的设计、仿真和测试过程。该加速度计具有如下特点：

　　覆盖高低量程：所设计的复合量程加速度计覆盖了10g、100g、500g和10000g四种量程，可有效兼顾和满足高低量程加速度参数的测试需求;

　　高可靠性：所设计的硅微复合量程加速度计采用先进设计理念和新型封装技术，可使其承受上万g过载，同时，在实现高g值精确测量时，又可保证低g值测量单元结构不发生破坏，其性能保持不变;

　　体积小、重量轻：所设计硅微复合量程加速度计封装后尺寸在13mm×13mm范围内，重量在8g左右。由于其体积小、重量轻，测量范围宽，因此对空间要求低，安装后几乎不影响系统重量和质心，因此，具有广阔的应用前景。

　　1　硅微复合量程加速度计结构设计

　　文中所设计的硅微复合量程加速度计是利用单晶硅材料的压阻效应制成的。单晶硅材料受到力的作用后，其电阻率就要发生变化，这种现象称为压阻效应[1]。电阻相对变化可写为：

　　式中：π为压阻系数;ρ为半导体材料的电阻率。

　　硅微复合量 程加速度计弹性元件的结构形式一般采用硅梁加质量块的形式，考虑到固支梁结构的一阶固有频率比悬臂梁结构高得多，有利于扩大传感器的频率响应范围，同时能较好的消除非对称结构引起的沿梁长度方向的横向加速度的影响，因此文中所设计的硅微复合量程加速度计采用双端四梁结构，此种结构为中心对称，能够较好的解决横向灵敏度的问题，频率响应范围较宽[2-3]。所设计的复合量程加速度计结构示意图如图1所示。

　　当结构受到敏感方向加速度作用时，质量块上下振动，在4根梁上产生应变，导致梁根部和端部有最大应力分布，且根部和端部的应力值关于梁的中心位置近似对称相等。在4根梁上沿着梁长度方向分布8个压敏电阻构成惠斯通电桥，在应力作用下8个压敏电阻阻值发生变化，近以有如下关系(加工该结构采用N型Si(100)晶面)：

　　所设计的复合量程加速度计采用双层结构，下面一层采用玻璃材料制成的底盖，形成加速度计硅 玻璃结构，如图2所示，底盖上有金属电极和引线，通过静电键合的方法结合在一起。质量块与玻璃之间的距离为3μm，即在加速度载荷作用下，质量块在z方向上的最大位移量为3μm。