本發明專利技術涉及MEMS傳感器領域中的加速度傳感器，具體是一種壓阻式單片集成四梁三軸加速度計，解決了現有壓阻式三軸加速度計存在結構復雜，靈敏度低，軸間耦合大的問題。該加速度計包括四根彈性懸臂梁、質量塊和支撐邊框，質量塊四個邊分別通過一根彈性懸臂梁支懸于支撐邊框的中心位置，支撐邊框下表面通過靜電鍵合技術與玻璃基板鍵合，十六個阻值相等的壓敏電阻對稱均布在四根彈性懸臂梁的兩端，十六個壓敏電阻連接分別構成三個惠斯通電橋分別檢測三個軸向的加速度信號。本發明專利技術加速度計結構簡單、靈敏度高、軸間耦合低、可靠性高、成本低廉、易于一體化加工，以其生產加工的加速度計應用范圍廣闊。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及MEMS傳感器領域中的加速度傳感器，具體是一種壓阻式單片集成四梁三軸加速度傳感器。
技術介紹
加速度測量是基于測試儀器檢測質量敏感加速度產生慣性力的測量，是一種全自主的慣性測量。加速度計在生物、化學和醫學分析中，在航天、航空、航海的慣性導航系統及運載武器的制導系統中，在振動試驗、地震監測、爆破工程、 地基測量、地礦勘測等測量領域有廣泛的應用。常見的微加速度計產品都是單軸的，而微慣性系統以及一些其他應用場合往往需要三軸加速度計來檢測加速度矢量，這就對三軸加速度傳感器的出現提出了訴求。壓阻式三軸微加速度傳感器的實現方法有三種第一種是將三個單軸壓阻式微加速度傳感器組裝在一起，實現三軸測量功能，但是這種方式體積較大，組裝比較困難，而且矢量測量精度低；第二種是將三個單軸壓阻式加速度傳感器同時制作在同一個芯片上，單個壓阻式加速度傳感器的結構是由硅框架、質量塊、懸臂梁以及壓敏電阻組成的，當將三個單軸加速度傳感器制作在同一個芯片上時，考慮到傳感器的各個性能，三個單軸加速度傳感器的壓敏電阻的布放位置會不同，這樣會大大增加工藝的復雜度，增大加工成本；第三種是采用一個敏感元件測量三個方向的加速度信號，當敏感元件感受不同方向的加速度時，不同位置的電阻阻值產生變化，從而使由電阻構成的惠斯通電橋輸出電壓信號，從而檢測加速度的大小和方向。由這三種方法實現的壓阻式三軸微加速度傳感器各有其優點和弊端。針對第三種實現方法，有現有的八梁臂結構，但其靈敏度較低而軸間耦合度較高。為了提高靈敏度和降低軸間耦合度，本專利技術在八梁臂的基礎上提出了四梁臂的結構，其上對稱分布有十六個壓敏電阻，其中四個壓敏電阻構成一個惠斯通電橋檢測X方向的加速度和方向，另有四個壓敏電阻構成一個惠斯通電橋檢測Y方向的加速度和方向，剩下八個壓敏電阻構成一個惠斯通電橋檢測Z方向的加速度和方向。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決現有的壓阻式三軸加速度計存在結構復雜，靈敏度低，軸間耦合大的問題，而提供了一種壓敏電阻完全對稱分布，靈敏度高，軸間耦合度小的壓阻式單片集成四梁三軸加速度計。本專利技術是通過以下技術方案實現的 一種壓阻式單片集成四梁三軸加速度計，包括支撐邊框、彈性懸臂梁以及通過彈性懸臂梁支懸于支撐邊框中心位置的質量塊，質量塊的四個邊分別通過一根彈性懸臂梁與支撐邊框固定,支撐邊框的下表面超出質量塊的下表面,且支撐邊框下表面通過靜電鍵合技術鍵合有玻璃基座，固定于支撐邊框與質量塊之間的四根彈性懸臂梁上對稱均布有十六個阻值相等的應變壓敏電阻，每根彈性懸臂梁上的四個應變壓敏電阻兩兩對稱分布于彈性懸臂梁的兩端，并且同一端的兩個應變壓敏電阻以彈性懸臂梁的中心軸線對稱分布；第一應變壓敏電阻和第二應變壓敏電阻分布于X軸負方向的彈性懸臂梁上，第一應變壓敏電阻位于該彈性懸臂梁上四個應變壓敏電阻組合位置的左上方，第二應變壓敏電阻位于該彈性懸臂梁上四個應變壓敏電阻組合位置的右下方，第三應變壓敏電阻和第四應變壓敏電阻分布于X軸正方向的彈性懸臂梁上，第三應變壓敏電阻位于該彈性懸臂梁上四個應變壓敏電阻組合位置的右上方，第四應變壓敏電阻位于該彈性懸臂梁上四個應變壓敏電阻組合位置的左下方，并且上述四個應變壓敏電阻(即第一應變壓敏電阻、第二應變壓敏電阻、第三應變壓敏電阻和第四應變壓敏電阻)之間連接成一個檢測X軸方向信號的惠斯通電橋(檢測X軸、Y軸、Z軸方向的惠斯通電橋都有兩個輸入端Vcc和GND ;有兩個輸出端Vout)，其中，第一應變壓敏電阻和第二應變壓敏電阻連接在該惠斯通電橋(即檢測X軸方向信號的惠斯通電橋)的一個輸入端上，第三應變壓敏電阻和第四應變壓敏電阻連接在該惠斯通電橋(即檢測X軸方向信號的惠斯通電橋)的另一個輸入端上，第一應變壓敏電阻和第三應變壓敏電阻連接在該惠斯通電橋的一個輸出端上，第二應變壓敏電阻和第 四應變壓敏電阻連接在該惠斯通電橋的另一個輸出端上；第五應變壓敏電阻和第六應變壓敏電阻分布于Y軸負方向的彈性懸臂梁上，第五應變壓敏電阻位于該彈性懸臂梁上四個應變壓敏電阻組合位置的左下方，第六應變壓敏電阻位于該彈性懸臂梁上四個應變壓敏電阻組合位置的右上方，第七應變壓敏電阻和第八應變壓敏電阻分布于Y軸正方向的彈性懸臂梁上，第七應變壓敏電阻位于該彈性懸臂梁上四個應變壓敏電阻組合位置的左上方，第八應變壓敏電阻位于該彈性懸臂梁上四個壓敏電阻組合位置的右下方，并且上述四個應變壓敏電阻(即第五應變壓敏電阻、第六應變壓敏電阻、第七應變壓敏電阻和第八應變壓敏電阻)之間連接成一個檢測Y軸方向信號的惠斯通電橋，其中，第五應變壓敏電阻和第六應變壓敏電阻連接在該惠斯通電橋(即檢測Y軸方向信號的惠斯通電橋)的一個輸入端上，第七應變壓敏電阻和第八應變壓敏電阻連接在該惠斯通電橋(即檢測Y軸方向信號的惠斯通電橋)的另一個輸入端上，第五應變壓敏電阻和第七應變壓敏電阻連接在該惠斯通電橋的一個輸出端上，第六應變壓敏電阻和第八應變壓敏電阻連接在該惠斯通電橋的另一個輸出端上；第九應變壓敏電阻和第十應變壓敏電阻分布于X軸負方向的彈性懸臂梁上，第九應變壓敏電阻位于該彈性懸臂梁上四個應變壓敏電阻組合位置的左下方，第十應變壓敏電阻位于該彈性懸臂梁上四個應變壓敏電阻組合位置的右上方，第十一應變壓敏電阻和第十二應變壓敏電阻分布于X軸正方向的彈性懸臂梁上，第十一應變壓敏電阻位于該彈性懸臂梁上四個應變壓敏電阻組合位置的左上方，第十二應變壓敏電阻位于該彈性懸臂梁上四個應變壓敏電阻組合位置的右下方，第十三應變壓敏電阻和第十四應變壓敏電阻布于Y軸負方向的彈性懸臂梁上，第十三應變壓敏電阻位于該彈性懸臂梁上四個應變壓敏電阻組合位置的左上方，第十四應變壓敏電阻位于該彈性懸臂梁上四個應變壓敏電阻組合位置的右下方，第十五應變壓敏電阻和第十六應變壓敏電阻分布于Y軸正方向的彈性懸臂梁上，第十五應變壓敏電阻位于該彈性懸臂梁上四個應變壓敏電阻組合位置的左下方，第十六應變壓敏電阻位于該彈性懸臂梁上四個應變壓敏電阻組合位置的右上方，并且上述八個應變壓敏電阻(即第九應變壓敏電阻、第十應變壓敏電阻、第十一應變壓敏電阻、第十二應變壓敏電阻、第十三應變壓敏電阻、第十四應變壓敏電阻、第十五應變壓敏電阻和第十六應變壓敏電阻)之間連接成一個測Z軸方向信號的惠斯通電橋，其中，第九應變壓敏電阻和第十二應變壓敏電阻串聯構成該惠斯通電橋的第一個橋臂，第十應變壓敏電阻和第十一應變壓敏電阻串聯構成該惠斯通電橋的第二個橋臂，第十三應變壓敏電阻和第十五應變壓敏電阻串聯構成該惠斯通電橋的第三個橋臂，第十四應變壓敏電阻和第十六應變壓敏電阻串聯構成該惠斯通電橋的第四個橋臂，并且第一橋臂上的第九應變壓敏電阻、第十二應變壓敏電阻和第二橋臂上的第十應變壓敏電阻、第十一應變壓敏電阻連接在該惠斯通電橋(即測Z軸方向信號的惠斯通電橋)的一個輸入端上，第三橋臂上的第十三應變壓敏電阻、第十五應變壓敏電阻和第四橋臂上的第十四應變壓敏電阻、第十六應變壓敏電阻連接在該惠斯通電橋(即測Z軸方向信號的惠斯通電橋)的另一個輸入端上，第一橋臂上的第九應變壓敏電阻、第十二應變壓敏電阻和第三橋臂上的第十三應變壓敏電阻、第十五應變壓敏電阻連接在該惠斯通電橋的一個輸出端上，第二橋臂上的第十應變壓敏電阻、第十一應變 壓敏電阻和第四橋臂上本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種壓阻式單片集成四梁三軸加速度計，包括支撐邊框（1）、彈性懸臂梁（2）以及通過彈性懸臂梁（2）支懸于支撐邊框（1）中心位置的質量塊（3），質量塊（3）的四個邊分別通過一根彈性懸臂梁（2）與支撐邊框（1）固定，支撐邊框（1）的下表面超出質量塊（3）的下表面，且支撐邊框（1）下表面通過靜電鍵合技術鍵合有玻璃基座（4），其特征在于：固定于支撐邊框（1）與質量塊（3）之間的四根彈性懸臂梁（2）上對稱均布有十六個阻值相等的應變壓敏電阻（R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16），每根彈性懸臂梁（2）上的四個應變壓敏電阻兩兩對稱分布于彈性懸臂梁（2）的兩端，并且同一端的兩個應變壓敏電阻以彈性懸臂梁（2）的中心軸線對稱分布；第一應變壓敏電阻（R1）和第二應變壓敏電阻（R2）分布于X軸負方向的彈性懸臂梁（2？1）上，第一應變壓敏電阻（R1）位于該彈性懸臂梁（2？1）上四個應變壓敏電阻組合位置的左上方，第二應變壓敏電阻（R2）位于該彈性懸臂梁（2？1）上四個應變壓敏電阻組合位置的右下方，第三應變壓敏電阻（R3）和第四應變壓敏電阻（R4）分布于X軸正方向的彈性懸臂梁（2？2）上，第三應變壓敏電阻（R3）位于該彈性懸臂梁（2？2）上四個應變壓敏電阻組合位置的右上方，第四應變壓敏電阻（R4）位于該彈性懸臂梁（2？2）上四個應變壓敏電阻組合位置的左下方，并且上述四個應變壓敏電阻（R1、R2、R3、R4）之間連接成一個檢測X軸方向信號的惠斯通電橋，其中，第一應變壓敏電阻（R1）和第二應變壓敏電阻（R2）連接在該惠斯通電橋的一個輸入端上，第三應變壓敏電阻（R3）和第四應變壓敏電阻（R4）連接在該惠斯通電橋的另一個輸入端上，第一應變壓敏電阻（R1）和第三應變壓敏電阻（R3）連接在該惠斯通電橋的一個輸出端上，第二應變壓敏電阻（R2）和第四應變壓敏電阻（R4）連接在該惠斯通電橋的另一個輸出端上；第五應變壓敏電阻（R5）和第六應變壓敏電阻（R6）分布于Y軸負方向的彈性懸臂梁（2？3）上，第五應變壓敏電阻（R5）位于該彈性懸臂梁（2？3）上四個應變壓敏電阻組合位置的左下方，第六應變壓敏電阻（R6）位于該彈性懸臂梁（2？3）上四個應變壓敏電阻組合位置的右上方，第七應變壓敏電阻（R7）和第八應變壓敏電阻（R8）分布于Y軸正方向的彈性懸臂梁（2？4）上，第七應變壓敏電阻（R7）位于該彈性懸臂梁（2？4）上四個應變壓敏電阻組合位置的左上方，第八應變壓敏電阻（R8）位于該彈性懸臂梁（2？4）上四個壓敏電阻組合位置的右下方，并且上述四個應變壓敏電阻（R5、R6、R7、R8）之間連接成一個檢測Y軸方向信號的惠斯通電橋，其中，第五應變壓敏電阻（R5）和第六應變壓敏電阻（R6）連接在該惠斯通電橋的一個輸入端上，第七應變壓敏電阻（R7）和第八應變壓敏電阻（R8）連接在該惠斯通電橋的另一個輸入端上，第五應變壓敏電阻（R5）和第七應變壓敏電阻（R7）連接在該惠斯通電橋的一個輸出端上，第六應變壓敏電阻（R6）和第八應變壓敏電阻（R8）連接在該惠斯通電橋的另一個輸出端上；第九應變壓敏電阻（R9）和第十應變壓敏電阻（R10）分布于X軸負方向的彈性懸臂梁（2？1）上，第九應變壓敏電阻（R9）位于該彈性懸臂梁（2？1）上四個應變壓敏電阻組合位置的左下方，第十應變壓敏電阻（R10）位于該彈性懸臂梁（2？1）上四個應變壓敏電阻組合位置的右上方，第十一應變壓敏電阻（R11）和第十二應變壓敏電阻（R12）分布于X軸正方向的彈性懸臂梁（2？2）上，第十一應變壓敏電阻（R11）位于該彈性懸臂梁（2？2）上四個應變壓敏電阻組合位置的左上方，第十二應變壓敏電阻（R12）位于該彈性懸臂梁（2？2）上四個應變壓敏電阻組合位置的右下方，第十三應變壓敏電阻（R13）和第十四應變壓敏電阻（R14）布于Y軸負方向的彈性懸臂梁（2？3）上，第十三應變壓敏電阻（R13）位于該彈性懸臂梁（2？3）上四個應變壓敏電阻組合位置的左上方，第十四應變壓敏電阻（R14）位于該彈性懸臂梁（2？3）上四個應變壓敏電阻組合位置的右下方，第十五應變壓敏電阻（R15）和第十六應變壓敏電阻（R16）分布于Y軸正方向的彈性懸臂梁（2？4）上，第十五應變壓敏電阻（R15）位于該彈性懸臂梁（2？4）上四個應變壓敏電阻組合位置的左下方，第十六應變壓敏電阻（R16）位于該彈性懸臂梁（2？4）上四個應變壓敏電阻組合位置的右上方，并且上述八個應變壓敏電阻（R9？、R10、？R11、R12、R13、？R1...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：張文棟，何常德，張國軍，薛晨陽，熊繼軍，劉俊，張永平，杜春暉，
申請(專利權)人：中北大學，
類型：發明
國別省市：
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