CN107271720A - 低轴间耦合度的八梁三轴加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低轴间耦合度的八梁三轴加速度传感器，包括边框（1），所述边框（1）中部设有敏感质量块（2），所述敏感质量块（2）每边通过两个平行的矩形梁（3）与边框（1）连接；具体为，所述敏感质量块（2）右边通过梁L1和梁L2与边框（1）连接、其上边通过梁L3和梁L4与边框（1）连接、其左边通过梁L5和梁L6与边框（1）连接、其下边通过梁L7和梁L8与边框（1）连接。本发明通过合理的增加压敏电阻的数量并正确的布置压敏电阻的位置，解决了梁结构压阻式加速度传感器结构上必然导致轴间耦合度大的难题，有效降低了传感器的轴间耦合度。

Description

低轴间耦合度的八梁三轴加速度传感器

技术领域

本发明涉及MEMS（Microelectric Mechanical Systems）传感器领域中的压阻式加速度传感器，具体为一种低轴间耦合度的八梁三轴加速度传感器。

背景技术

加速度传感器广泛应用于游戏控制、手柄振动和摇晃、汽车制动启动检测、地震检测、工程测振、地质勘探、振动测试与分析以及安全保卫振动侦察等多种领域。

加速度传感器分为单轴加速度传感器和三轴加速度传感器。三轴加速度传感器可由三个单轴加速度传感器组合而成或单片集成。前者体积大、组装精度低促进了单片集成三轴加速度传感器的发展。压阻式加速度传感器由于其稳定性好，可以批量生产等优点具有广泛的应用前景。

但是压阻式加速度传感器质量块的中心与梁的中心不在同一平面上，非检测输出方向的加速度会对检测输出方向的压敏电阻产生应力，导致检测方向加速度对该压敏电阻产生的应力减小或增大，产生轴间耦合。

本发明正是基于以上问题进行了八梁三轴加速度传感器的设计以降低三轴加速度传感器的轴间耦合度。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有压阻式八梁三轴加速度传感器轴间耦合大的问题，而提供了一种用于降低八梁三轴加速度传感器轴间耦合的传感器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种低轴间耦合度的八梁三轴加速度传感器，整个传感器为对称结构。包括边框，所述边框中部设有敏感质量块，所述敏感质量块每边通过两个平行的矩形梁与边框连接；具体为，所述敏感质量块右边通过梁L1和梁L2与边框连接、其上边通过梁L3和梁L4与边框连接、其左边通过梁L5和梁L6与边框连接、其下边通过梁L7和梁L8与边框连接。

以图2为基准，压敏电阻在八个矩形梁上的分布如下：

所述梁L1的内端（靠近质量块一端，下同）上部设有压敏电阻X4、其外端（靠近边框一端，下同）下部设有压敏电阻A3；

所述梁L2的内端上部和下部分别设有压敏电阻Z1和压敏电阻A1、其外端上部和下部分别设有压敏电阻X2和压敏电阻C2；

所述梁L3的内端左侧和右侧分别设有压敏电阻Y4和压敏电阻C4、其外端左侧和右侧分别设有压敏电阻Z3和压敏电阻B3；

所述梁L4的内端右侧设有压敏电阻B1、其外端左侧设有压敏电阻Y2；

所述梁L5的内端下部设有压敏电阻A2、其外端上部设有压敏电阻X1；

所述梁L6的内端上部和下部分别设有压敏电阻X3和压敏电阻C1、其外端上部和下部分别设有压敏电阻Z2和压敏电阻A4；

所述梁L7的内端左侧和右侧分别设有压敏电阻Z4和压敏电阻B2、其外端左侧和右侧分别设有压敏电阻Y1和压敏电阻C3；

所述梁L8的内端左侧设有压敏电阻Y3、其外端右侧设有压敏电阻B4。

定义：压敏电阻M，M为X、Y、Z；压敏电阻N，N为A、B、C；

则，压敏电阻M和压敏电阻N构成检测三个方向加速度的惠斯电桥，M1、M2、M3、M4分别与相对应的N1、N2、N3、N4构成惠斯通电桥的一个臂。

传统的八梁三轴加速度传感器三个方向的惠斯通电桥有四个压敏电阻组成，非输出方向加速度对输出方向压敏电阻产生的应力不可避免。本发明通过在每个方向惠斯通电桥的臂上增加一个电阻，使得每个输出方向惠斯通电桥的臂上有两个压敏电阻。当有非输出方向的加速度作用于传感器上时，输出方向惠斯通电桥每个臂上的两个压敏电阻受到非输出方向加速度而产生的应力大小相等，符号相反；当输出方向的加速度作用于传感器时，输出方向惠斯通电桥每个臂上的两个压敏电阻产生的应力均为压应力或拉应力。这种方法理论上可实现八梁三轴加速度传感器的轴间耦合度为零。

为了验证本方案的可行性，通过有限元仿真软件进行了验证分析，每个梁纵向取了两条路径，路径经过压敏电阻的纵向中心线，路径的编号如图2所示，P1、P2、P3、P4等。路径从质量块开始，到边框结束。考虑到X方向与Y方向的对称性，只进行X方向和Z方向的验证。

1、X方向电桥分析

1.1、当X方向的有加速度，Y和Z方向没有加速度时

当加速度计只受到X方向加速度作用，Y和Z方向没有加速度作用时，梁的应力变化如图4所示。从图中可以看出，压敏电阻X1、X4、A1、A4受到压应力，电阻变小；压敏电阻X2、X3、A2、A3受到张应力，电阻变大。X方向惠斯通电桥各个压敏电阻的变化如图5所示。

假设压敏电阻X1、X2、X3、X4和压敏电阻A1、A2、A3、A4的初值都为R，变化量都为，则

输出电压

1.2、当Y方向有加速度，X和Z方向没有加速度时

当加速度计只受到Y方向加速度作用，X和Z方向没有加速度作用时，梁的应力变化如图6所示。从图中可以看出，压敏电阻X1、X2、X3、X4受到张应力，电阻变大；压敏电阻A1、A2、A3、A4受压应力，电阻变小。X方向惠斯通电桥各个压敏电阻的变化如图7所示。

假设压敏电阻X1、X2、X3、X4和压敏电阻A1、A2、A3、A4的初值都为R，变化量都为，则

输出电压

所以，当Y方向有加速度输入时，X方向惠斯通电桥没有输出响应，即Y轴对X轴的输出耦合为零。

1.3、当Z方向有加速度，X和Y方向没有加速度时

当加速度计只受到Z方向加速度作用，X和Y方向没有加速度作用时，梁的应力变化如图8所示。从图中可以看出，压敏电阻X1、X2、A3、A4受到张应力，电阻变大；压敏电阻A1、A2、X3、X4受压应力，电阻变小。X方向惠斯通电桥各个压敏电阻的变化如图9所示。

假设压敏电阻X1、X2、X3、X4和压敏电阻A1、A2、A3、A4的初值都为R，变化量都为，则

输出电压

所以，当Z方向有加速度输入时，X方向惠斯通电桥没有输出响应，即Z轴对X轴的输出耦合为零。

2、Z方向电桥分析

2.1 当Z方向有加速度，X和Y方向没有加速度时

当加速度计只受到Z方向加速度作用，X和Y方向没有加速度作用时，梁的应力变化如图8所示。从图中可以看出，压敏电阻Z2、Z3、C2、C3受到张应力，电阻变大；压敏电阻Z1、Z4、C1、C4受压应力，电阻变小。Z方向惠斯通电桥各个压敏电阻的变化如图10所示。

假设压敏电阻Z1、Z2、Z3、Z4和压敏电阻C1、C2、C3、C4的初值都为R，变化量都为，则

输出电压

2.2、当X方向有加速度，Y和Z方向没有加速度时

当加速度计只受到X方向加速度作用，Y和Z方向没有加速度作用时，梁的应力变化如图4所示。从图中可以看出，压敏电阻Z3、Z4、C1、C2受到张应力，电阻变大；压敏电阻Z1、Z2、C3、C4受压应力，电阻变小。Z方向惠斯通电桥各个电阻的变化如图11所示。

假设压敏电阻Z1、Z2、Z3、Z4和压敏电阻C1、C2、C3、C4的初值都为R，变化量都为，则

输出电压

所以，当X方向有加速度输入时，Z方向惠斯通电桥没有输出响应，即X轴对Z轴的输出耦合为零。

3.3、当Y方向有加速度，X和Z方向没有加速度时

当加速度计只受到Y方向加速度作用，X和Z方向没有加速度作用时，梁的应力变化如图6所示。从图中可以看出，压敏电阻Z3、Z4、C1、C2受到张应力，电阻变大；压敏电阻Z1、Z2、C3、C4受压应力，电阻变小。Z方向惠斯通电桥各个压敏电阻的变化如图12所示。

假设压敏电阻Z1、Z2、Z3、Z4和压敏电阻C1、C2、C3、C4的初值都为R，变化量都为，则

输出电压

所以，当Y方向有加速度输入时，Z方向惠斯通电桥没有输出响应，即Y轴对Z轴的输出耦合为零。

为了验证所设计结构具有降低传感器轴间耦合的功能，分别对原有传感器和新设计的传感器进行了仿真。仿真结果如表1、表2、表3所示，从三个表中可以看出新结构的轴间耦合度比原来结构的轴间耦合度降低了大约一个数量级。

当X方向施加50g加速度，Y和Z方向没有加速度时，传统结构和新结构X、Y和Z三个方向电桥的输出灵敏度如表1所示。

当Y方向施加50g加速度，X和Z方向没有加速度时，传统结构和新结构X、Y和Z三个方向电桥的输出灵敏度如表2所示。

当Z方向施加50g加速度，X和Y方向没有加速度时，传统结构和新结构X、Y和Z三个方向电桥的输出灵敏度如表3所示。

表 1 仅在X方向施加50g加速度时两种加速度传感器三个方向电桥输出灵敏度

表 2 仅在Y方向施加50g加速度时两种加速度传感器三个方向电桥输出灵敏度

表 3 仅在Z方向施加50g加速度时两种加速度传感器三个方向电桥输出灵敏度

本发明为一种检测运动物体三个方向加速度的MEMS压阻式八梁三轴加速度传感器，通过合理的增加压敏电阻的数量并正确的布置压敏电阻的位置，解决了梁结构压阻式加速度传感器结构上必然导致轴间耦合度大的难题，有效降低了传感器的轴间耦合度。

本发明具有结构简单，工艺成熟、成本低、适于大批量生产和应用前景广泛等特点。

附图说明

图1表示本发明传感器的结构剖视示意图。

图2表示本发明传感器压敏电阻在梁上的分布。

图3a表示压敏电阻构成的检测X方向加速度的惠斯通电桥。

图3b表示压敏电阻构成的检测Y方向加速度的惠斯通电桥。

图3c表示压敏电阻构成的检测Z方向加速度的惠斯通电桥。

图4a表示加速度计仅受到X方向的加速度作用时梁上X方向应力。

图4b表示加速度计仅受到X方向的加速度作用时梁上Y方向应力。

图5表示加速度计只受到X方向加速度时X方向电桥各个电阻的变化。

图6a表示加速度计仅受到Y方向的加速度作用时梁X方向的应力。

图6b表示加速度计仅受到Y方向的加速度作用时梁Y方向的应力。

图7表示加速度计只受到Y方向加速度时X方向电桥各个电阻的变化。

图8a表示加速度计仅受到Z方向的加速度作用时梁X方向的应力上的应力。

图8b表示加速度计仅受到Z方向的加速度作用时梁Y方向的应力上的应力。

图9表示表示加速度计只受到Z方向加速度时X方向电桥各个电阻的变化。

图10表示加速度计只受到Z方向加速度时Z方向电桥各个电阻的变化。

图11表示加速度计只受到X方向加速度时Z方向电桥各个电阻的变化。

图12表示加速度计只受到Y方向加速度时Z方向电桥各个电阻的变化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种低轴间耦合度的八梁三轴加速度传感器，如图1所示，该传感器由一个敏感质量块2、一个边框1和八个矩形梁3构成，质量块与边框的每条边上分布两个相互平行的矩形梁，整个传感器为对称结构。具体为，所述敏感质量块2右边通过梁L1和梁L2与边框1连接、其上边通过梁L3和梁L4与边框1连接、其左边通过梁L5和梁L6与边框1连接、其下边通过梁L7和梁L8与边框1连接。

压敏电阻在八个矩形梁上的分布如下，如图2所示：

梁L1的内端（靠近质量块一端，下同）上部设有压敏电阻X4、其外端（靠近边框一端，下同）下部设有压敏电阻A3。

梁L2的内端上部和下部分别设有压敏电阻Z1和压敏电阻A1、其外端上部和下部分别设有压敏电阻X2和压敏电阻C2。

梁L3的内端左侧和右侧分别设有压敏电阻Y4和压敏电阻C4、其外端左侧和右侧分别设有压敏电阻Z3和压敏电阻B3。

梁L4的内端右侧设有压敏电阻B1、其外端左侧设有压敏电阻Y2。

梁L5的内端下部设有压敏电阻A2、其外端上部设有压敏电阻X1。

梁L6的内端上部和下部分别设有压敏电阻X3和压敏电阻C1、其外端上部和下部分别设有压敏电阻Z2和压敏电阻A4。

梁L7的内端左侧和右侧分别设有压敏电阻Z4和压敏电阻B2、其外端左侧和右侧分别设有压敏电阻Y1和压敏电阻C3。

梁L8的内端左侧设有压敏电阻Y3、其外端右侧设有压敏电阻B4。

定义：压敏电阻M，M为X、Y、Z；压敏电阻N，N为A、B、C；

则，压敏电阻M和压敏电阻N构成检测三个方向加速度的惠斯电桥，M1、M2、M3、M4分别与相对应的N1、N2、N3、N4构成惠斯通电桥的一个臂，如图3a、3b、3c所示。

具体制备时，敏感质量块2的结构尺寸（长宽厚）为3200μm×3200μm×380μm；边框1的宽度为1000μm、厚度为395μm；矩形梁3的结构尺寸（长宽厚）为700μm×200μm×15μm，压敏电阻的结构尺寸（长宽）为8μm×8μm。

以上仅为本发明的具体实施例，但并不局限于此。任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种低轴间耦合度的八梁三轴加速度传感器，其特征在于：包括边框（1），所述边框（1）中部设有敏感质量块（2），所述敏感质量块（2）每边通过两个平行的矩形梁（3）与边框（1）连接；具体为，所述敏感质量块（2）右边通过梁L1和梁L2与边框（1）连接、其上边通过梁L3和梁L4与边框（1）连接、其左边通过梁L5和梁L6与边框（1）连接、其下边通过梁L7和梁L8与边框（1）连接；

所述梁L1的内端上部设有压敏电阻X4、其外端下部设有压敏电阻A3，

所述梁L2的内端上部和下部分别设有压敏电阻Z1和压敏电阻A1、其外端上部和下部分别设有压敏电阻X2和压敏电阻C2，

所述梁L3的内端左侧和右侧分别设有压敏电阻Y4和压敏电阻C4、其外端左侧和右侧分别设有压敏电阻Z3和压敏电阻B3，

所述梁L4的内端右侧设有压敏电阻B1、其外端左侧设有压敏电阻Y2，

所述梁L5的内端下部设有压敏电阻A2、其外端上部设有压敏电阻X1，

所述梁L6的内端上部和下部分别设有压敏电阻X3和压敏电阻C1、其外端上部和下部分别设有压敏电阻Z2和压敏电阻A4，

所述梁L7的内端左侧和右侧分别设有压敏电阻Z4和压敏电阻B2、其外端左侧和右侧分别设有压敏电阻Y1和压敏电阻C3，

所述梁L8的内端左侧设有压敏电阻Y3、其外端右侧设有压敏电阻B4；

定义：压敏电阻M，M为X、Y、Z；压敏电阻N，N为A、B、C；

则，压敏电阻M和压敏电阻N构成检测三个方向加速度的惠斯电桥，M1、M2、M3、M4分别与相对应的N1、N2、N3、N4构成惠斯通电桥的一个臂。

2.根据权利要求1所述的低轴间耦合度的八梁三轴加速度传感器，其特征在于：敏感质量块（2）的结构尺寸为3200μm×3200μm×380μm，边框（1）的宽度为1000μm、厚度为395μm，矩形梁（3）的结构尺寸为700μm×200μm×15μm，压敏电阻的结构尺寸为8μm×8μm。