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摘要:在高g值加速度测量时,质量块所受的惯性力可能会使悬臂梁上的应力超过屈服应力致使悬臂粱断裂。基于这一点,本文提出了采用MEMS(Micro Electro-Mechinical System)技术用扩散的方法在悬臂梁上制作一个会斯顿测量电桥,加速度变化时,对桥路输出信号经过电压比较器,便可测得加速度大小并且判断出其方向,再经逻辑判断电路送入单片机,单片机控制静电力发生器,最终实现对加速度计量程实时调节的这一目的。
关键词: 加速度计 应变区 实时测量 静电力调整
DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.007
1 引言
随着微电子加工工艺和传感技术的不断发展,电阻应变式传感器越来越受欢迎,其特点是结构简单,性能稳定、可靠,灵敏度高,便于测量。但是,加速度计在处理量程和灵敏度相兼顾的问题上,都多少存在着一定的困难。尤其是悬臂梁式加速度传感器,悬臂梁多采用硅材料或石英材料制作,在实际工程中,悬臂梁上会受到随时间变化的动荷载,甚至是瞬时冲击较大的荷载作用,虽然可以根据荷载作用前后的能量守恒原则,但是当应力超过材料的强度极限时,结构将发生断裂或屈服失效,特别是脆性材料多晶硅制成的悬臂梁在冲击或振动作用下很容易断裂失效。此外,疲劳也将导致结构断裂,构件在交变应力的作用下,即使其应力小于断裂强度,在经过一定次数的交变应力之后也会发生脆性断裂。因此,对悬臂梁式加速度计的量程的实时调整就很有必要研究。悬臂梁式加速度传感器结构如图1(a)所示:
图1 悬臂梁加速度计及悬臂梁结构图
(a)悬臂梁加速度计结构 (b)悬臂梁结构
2 加速度大小的测量
采用MEMS技术用扩散加工的方法,在悬臂梁上形变最大处正负应变区内制作扩散电阻片,当悬臂梁在受到被测量时将产生变形,其表面产生应变,而粘贴在悬臂梁表面的半导体电阻应变片将随之产生应变其阻值发生变化,电阻应变片阻值的变化转换成桥路输出电压(电流)的变化,再送入测量放大电路,得出被测加速度的大小。为了提高测量精度,悬臂梁采用图1(b)所示结构。图1(b)为截面等强度悬臂梁,它的厚度相同,但截面积不相等,因而沿梁长方向任意一点应变都相等,这样的结构便于电阻片的粘贴。
图 2 悬臂梁上的会斯顿测量桥
(a)正方形膜片力敏电阻分布图 (b) 慧斯登电桥原理图
3加速度方向的判定
为了对加速度实时进行准确测量,其量程就有必要调整。在调量程前,关键的一步就是对加速度方向的判断。电桥的输出信号经放大器放大作为电压比较器的输入电压,根据电压比较器的输出波形就可判断出加速的实时方向。电压比较器的原理结构图如图4(a)、(b)所示:
图3由带正反馈的运算放大器构成的电平检测电路
(a)原理图 (b)结构图
加速度方向的判断如图3(a)所示,其实是一个电平检测电路,它的任务是将悬臂梁上慧斯顿桥路輸出连续变化的模拟量转换成“1”或“0”两种状态的数字量,实际上是一个模数转换器。由电平检测电路的结构图图3(b)可得电平检测电路闭环放大倍数为:
R1越小,KV越大,正反馈作用越强,回环宽度越大。为了增强抗干扰能力,回环宽度一般取0.2~0.3V。电平检测电路的输出波形如图4所示:
左: 图4 检测电路的输出电平
根据电压比较器输出的逻辑电平,就可判断出加速度的方向,这一判断为单片机的控制提供了参考。单片机将实时控制静电力发生器给质量块所处的电容极板交替上电,电容极板间的电场力方向也随之实时改变,利用变化的电场力可以抵消质量块所受的较大的惯性力,此时质量块较小的位移代表了较大的被测加速度值,或者与前一时刻运动位移相比较,相同位移代表着不同的加速度值,进而保护了硅梁因受机械应变过大而致使其断裂或疲劳灵敏度降低的问题,最主要的是实现了量程随被测加速度的变化而能够实时调整,以满足被测量的需要。
4静电力调整系统
由于加速度传感器的悬臂梁多采用硅材料或石英材料制作,在实际工程中,悬臂梁上会受到随时间变化的动荷载,甚至是瞬时冲击的荷载作用,虽然可以根据荷载作用前后的能量守恒原则,分析悬臂梁在冲击荷载作用下的冲击应力和应变,但是由于梁能够储存的应变能、以及积累、存储应变能量的速度(实质上是梁和材料将运动能量转换为应变势能的速度)不仅取决于梁的形状,而且还与梁的材料性质等复杂因素有关,因此,对其运动过程的精细准确分析相当困难。当应力超过材料的强度极限时,结构将发生断裂或屈服失效,特别是脆性材料多晶硅制成的悬臂梁在冲击或振动作用下很容易断裂失效。此外,疲劳也将导致结构断裂,构件在交变应力的作用下,即使其应力小于断裂强度,在经过一定次数的交变应力之后也会发生脆性断裂。
为了保护悬臂梁避免受损坏,另一方面也是为了做到量程和灵敏度很好地兼顾,本文主要提出用静电力发生器来实时调整加速度传感器的量程的设计方案,使其在一个安全可靠的范围内工作。静电力调整系统原理图如图5所示:
图5静电力调整系统原理图
△R1是梁形变最大出的桥路电阻变化量,△R2是制作在与梁形变无关的温度补偿电路的电阻变化量。根据被测量的加速度值和判断出的加速度方向,便可得知悬臂梁的弯曲程度及凹向。由受力分析可知加速度敏感质量块受到加速度惯性力、平行板电容板间的电场力Fe和悬臂梁弹性形变回复力Fr的共同作用。要使加速度敏感质量块在平行板电容器两固定极板之间处于稳定,则必须满足的条件为
ma=Fe +Fr (5)
当没有加速度作用时,桥路电阻阻值没有发生变化传感器的输出为零。利用半导体和微机械加工工艺将慧斯顿桥路中的4只电阻排布在弹性膜片上,两只排布在正应力区,两只排布在负应力区,如图2(a)所示。如图2(b)所示,若 R1、R3排布在正应力区,R2、R4排布在负应力区,由慧斯顿直流桥的输出与输入关系式
可知当正应变与负应变不相等时,检测电路输出电压有极性之分。当正、负应变相等时,输出为零。再根据电压比较器输出波形,便可掌握加速度的变化方向,进而可知梁的凹向;由检测电路输出电压的大小就可间接测得加速度的大小。把传感器的输出经信号调理、采样、A/D转换送入单片机,单片机来控制静电力发生器,从而实现静电力发生器对敏感质量块所处的电容极板间静电力的控制。静电力发生器中的静电吸引力来抵消部分加速度惯性力,使同样大小的质量块位移量能够代表更大或不同的被测加速度值。从而实现量程可调的目的。静电力调整系统框图如图6所示:
图6静电力调整系统框图
为有加速度变化时引起桥路输出的电压极性信号,为桥路平衡时的输出,即被测加速度为零时的输出。
5 结束语
加速度传感器在日常生活中的使用非常广泛,对其寿命的延长和灵敏度的要求从量程方面去考虑是很有必要的。本文对悬臂梁加速度计量程的可调性进行了理论分析,提出了量程调节的设计方案。当有加速度作用在敏感质量块上时,引起梁的机械应变,粘贴在梁上的半导体压敏电阻阻值发生变化,检测电路检测出加速度变化时引起桥路输出电压的变化值,测出电压的大小,即可知道此时加速度的大小。检测电路把连续变化的模拟量转换成“1”或“0”两种状态,根据这两种逻辑电平判断出加速度变化的方向。检测电路的输出经逻辑判断电路与单片机外设电路接口相连,给单片机提供控制程序实现的依据,从而实现单片机实时对静电力发生器的控制,使静电力发生器给平行板电容器极板上交替上电,以保证极板间电场力方向实时改变,最终实现了量程可调这一目的。若此方案以成品的形式在实际生产中得以体现,将会有很好的发展前景。
参考文献
[1] 刘骏跃,陈明.SAW加速度计量程及计量标定方法研究[J].仪器仪,2006,(9).
[2] [16]李军俊,刘理天,杨景铭.新型硅微加速度传感器的设计与制作.清华大学学报(自然科学版).1999,39(SI):84~87.
[3]张菁华,石庚辰,隋丽.引信用微加速度传感器系统设计[J].装备指挥学院学报。2005.16(3):82-86.
[4] Partridge,A.et al.(2000).“A high-performance planar piezoresistive accelerometer.”J Micrroelectromech.Syst,9(1),58-66.
[5] 于晓梅,张大成,李婷等.阵列式微机械悬臂梁的研制及其特性分析.半导体学报2003年,第24卷第8期:861-865.
[6] 刘云峰,董景新等 .关于硅微机械加速度计表头设计的几个问题,测控技术,2002.12(21):7-10.
作者简介:
王存玲,女,西安科技大学电气与控制工程学院硕士研究生,专业:微电子学与固体电子学,研究方向:新型传感器的设计。
刘骏跃,男,副教授,西安科技大学电气与控制工程学院硕士生导师,研究方向:检测技术及自动化装置。
关键词: 加速度计 应变区 实时测量 静电力调整
DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.007
1 引言
随着微电子加工工艺和传感技术的不断发展,电阻应变式传感器越来越受欢迎,其特点是结构简单,性能稳定、可靠,灵敏度高,便于测量。但是,加速度计在处理量程和灵敏度相兼顾的问题上,都多少存在着一定的困难。尤其是悬臂梁式加速度传感器,悬臂梁多采用硅材料或石英材料制作,在实际工程中,悬臂梁上会受到随时间变化的动荷载,甚至是瞬时冲击较大的荷载作用,虽然可以根据荷载作用前后的能量守恒原则,但是当应力超过材料的强度极限时,结构将发生断裂或屈服失效,特别是脆性材料多晶硅制成的悬臂梁在冲击或振动作用下很容易断裂失效。此外,疲劳也将导致结构断裂,构件在交变应力的作用下,即使其应力小于断裂强度,在经过一定次数的交变应力之后也会发生脆性断裂。因此,对悬臂梁式加速度计的量程的实时调整就很有必要研究。悬臂梁式加速度传感器结构如图1(a)所示:
图1 悬臂梁加速度计及悬臂梁结构图
(a)悬臂梁加速度计结构 (b)悬臂梁结构
2 加速度大小的测量
采用MEMS技术用扩散加工的方法,在悬臂梁上形变最大处正负应变区内制作扩散电阻片,当悬臂梁在受到被测量时将产生变形,其表面产生应变,而粘贴在悬臂梁表面的半导体电阻应变片将随之产生应变其阻值发生变化,电阻应变片阻值的变化转换成桥路输出电压(电流)的变化,再送入测量放大电路,得出被测加速度的大小。为了提高测量精度,悬臂梁采用图1(b)所示结构。图1(b)为截面等强度悬臂梁,它的厚度相同,但截面积不相等,因而沿梁长方向任意一点应变都相等,这样的结构便于电阻片的粘贴。
图 2 悬臂梁上的会斯顿测量桥
(a)正方形膜片力敏电阻分布图 (b) 慧斯登电桥原理图
3加速度方向的判定
为了对加速度实时进行准确测量,其量程就有必要调整。在调量程前,关键的一步就是对加速度方向的判断。电桥的输出信号经放大器放大作为电压比较器的输入电压,根据电压比较器的输出波形就可判断出加速的实时方向。电压比较器的原理结构图如图4(a)、(b)所示:
图3由带正反馈的运算放大器构成的电平检测电路
(a)原理图 (b)结构图
加速度方向的判断如图3(a)所示,其实是一个电平检测电路,它的任务是将悬臂梁上慧斯顿桥路輸出连续变化的模拟量转换成“1”或“0”两种状态的数字量,实际上是一个模数转换器。由电平检测电路的结构图图3(b)可得电平检测电路闭环放大倍数为:
R1越小,KV越大,正反馈作用越强,回环宽度越大。为了增强抗干扰能力,回环宽度一般取0.2~0.3V。电平检测电路的输出波形如图4所示:
左: 图4 检测电路的输出电平
根据电压比较器输出的逻辑电平,就可判断出加速度的方向,这一判断为单片机的控制提供了参考。单片机将实时控制静电力发生器给质量块所处的电容极板交替上电,电容极板间的电场力方向也随之实时改变,利用变化的电场力可以抵消质量块所受的较大的惯性力,此时质量块较小的位移代表了较大的被测加速度值,或者与前一时刻运动位移相比较,相同位移代表着不同的加速度值,进而保护了硅梁因受机械应变过大而致使其断裂或疲劳灵敏度降低的问题,最主要的是实现了量程随被测加速度的变化而能够实时调整,以满足被测量的需要。
4静电力调整系统
由于加速度传感器的悬臂梁多采用硅材料或石英材料制作,在实际工程中,悬臂梁上会受到随时间变化的动荷载,甚至是瞬时冲击的荷载作用,虽然可以根据荷载作用前后的能量守恒原则,分析悬臂梁在冲击荷载作用下的冲击应力和应变,但是由于梁能够储存的应变能、以及积累、存储应变能量的速度(实质上是梁和材料将运动能量转换为应变势能的速度)不仅取决于梁的形状,而且还与梁的材料性质等复杂因素有关,因此,对其运动过程的精细准确分析相当困难。当应力超过材料的强度极限时,结构将发生断裂或屈服失效,特别是脆性材料多晶硅制成的悬臂梁在冲击或振动作用下很容易断裂失效。此外,疲劳也将导致结构断裂,构件在交变应力的作用下,即使其应力小于断裂强度,在经过一定次数的交变应力之后也会发生脆性断裂。
为了保护悬臂梁避免受损坏,另一方面也是为了做到量程和灵敏度很好地兼顾,本文主要提出用静电力发生器来实时调整加速度传感器的量程的设计方案,使其在一个安全可靠的范围内工作。静电力调整系统原理图如图5所示:
图5静电力调整系统原理图
△R1是梁形变最大出的桥路电阻变化量,△R2是制作在与梁形变无关的温度补偿电路的电阻变化量。根据被测量的加速度值和判断出的加速度方向,便可得知悬臂梁的弯曲程度及凹向。由受力分析可知加速度敏感质量块受到加速度惯性力、平行板电容板间的电场力Fe和悬臂梁弹性形变回复力Fr的共同作用。要使加速度敏感质量块在平行板电容器两固定极板之间处于稳定,则必须满足的条件为
ma=Fe +Fr (5)
当没有加速度作用时,桥路电阻阻值没有发生变化传感器的输出为零。利用半导体和微机械加工工艺将慧斯顿桥路中的4只电阻排布在弹性膜片上,两只排布在正应力区,两只排布在负应力区,如图2(a)所示。如图2(b)所示,若 R1、R3排布在正应力区,R2、R4排布在负应力区,由慧斯顿直流桥的输出与输入关系式
可知当正应变与负应变不相等时,检测电路输出电压有极性之分。当正、负应变相等时,输出为零。再根据电压比较器输出波形,便可掌握加速度的变化方向,进而可知梁的凹向;由检测电路输出电压的大小就可间接测得加速度的大小。把传感器的输出经信号调理、采样、A/D转换送入单片机,单片机来控制静电力发生器,从而实现静电力发生器对敏感质量块所处的电容极板间静电力的控制。静电力发生器中的静电吸引力来抵消部分加速度惯性力,使同样大小的质量块位移量能够代表更大或不同的被测加速度值。从而实现量程可调的目的。静电力调整系统框图如图6所示:
图6静电力调整系统框图
为有加速度变化时引起桥路输出的电压极性信号,为桥路平衡时的输出,即被测加速度为零时的输出。
5 结束语
加速度传感器在日常生活中的使用非常广泛,对其寿命的延长和灵敏度的要求从量程方面去考虑是很有必要的。本文对悬臂梁加速度计量程的可调性进行了理论分析,提出了量程调节的设计方案。当有加速度作用在敏感质量块上时,引起梁的机械应变,粘贴在梁上的半导体压敏电阻阻值发生变化,检测电路检测出加速度变化时引起桥路输出电压的变化值,测出电压的大小,即可知道此时加速度的大小。检测电路把连续变化的模拟量转换成“1”或“0”两种状态,根据这两种逻辑电平判断出加速度变化的方向。检测电路的输出经逻辑判断电路与单片机外设电路接口相连,给单片机提供控制程序实现的依据,从而实现单片机实时对静电力发生器的控制,使静电力发生器给平行板电容器极板上交替上电,以保证极板间电场力方向实时改变,最终实现了量程可调这一目的。若此方案以成品的形式在实际生产中得以体现,将会有很好的发展前景。
参考文献
[1] 刘骏跃,陈明.SAW加速度计量程及计量标定方法研究[J].仪器仪,2006,(9).
[2] [16]李军俊,刘理天,杨景铭.新型硅微加速度传感器的设计与制作.清华大学学报(自然科学版).1999,39(SI):84~87.
[3]张菁华,石庚辰,隋丽.引信用微加速度传感器系统设计[J].装备指挥学院学报。2005.16(3):82-86.
[4] Partridge,A.et al.(2000).“A high-performance planar piezoresistive accelerometer.”J Micrroelectromech.Syst,9(1),58-66.
[5] 于晓梅,张大成,李婷等.阵列式微机械悬臂梁的研制及其特性分析.半导体学报2003年,第24卷第8期:861-865.
[6] 刘云峰,董景新等 .关于硅微机械加速度计表头设计的几个问题,测控技术,2002.12(21):7-10.
作者简介:
王存玲,女,西安科技大学电气与控制工程学院硕士研究生,专业:微电子学与固体电子学,研究方向:新型传感器的设计。
刘骏跃,男,副教授,西安科技大学电气与控制工程学院硕士生导师,研究方向:检测技术及自动化装置。