专利名称：一种阵列式微压阻式加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于电子元器件技术领域，它特别涉及到微压阻式加速度传感器技术。
背景技术：
微压阻式加速度传感器是利用敏感材料的压阻效应，将机械信号转化为电信号。常用的敏感材料是硅，在硅上扩散电阻。
目前，微压阻式加速度传感器的传感方式大多采用硅梁-质量块结构，其原理如图1所示。由硅梁4和硅质量块5组成敏感元件，在梁上扩散电阻3，在加速度作用下，质量块上下运动，从而使硅梁产生与加速度成比例的形变，导致梁上扩散电阻的阻值发生相应的变化，当扩散电阻作为测量电桥的桥臂时，通过电桥输出电压的变化，实现对加速度的测量。微压阻式加速度传感器的常用结构形式有单悬臂梁、双悬臂梁和四梁结构等，如图2所示。其中，只包含一个由硅梁4和硅质量块5组成的敏感元件。
高g值微压阻式加速度传感器在许多场合都得到应用，特别是在军事上，例如控制侵彻弹药引信在预定层数起爆，硬目标侵彻武器等；在民用上，如汽车安全气囊。美国ENDEVCO公司生产的7270A-200K微压阻式加速度传感器可测试20万g的加速度值，是目前量程较高的传感器；国内生产的微压阻式加速度传感器量程未见有上万g值。并且这类加速度传感器只有一个由硅梁和硅质量块组成的敏感元件，一旦质量块破碎或梁断裂，传感器则无法正常工作，可靠性差。另外，由于硅材料是脆性材料，在高g值加速度作用下，采用硅梁-质量块结构形式难以满足材料的强度条件，造成结构破坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种阵列式微压阻式加速度传感器，它具有一次可以高精度、高可靠性地测量高g值的冲击加速度的特点。
为了方便地描述本发明的内容，首先作术语定义微压阻式加速度传感器敏感单元它是由引线2、电阻3、硅梁4和硅质量块5组成；微压阻式加速度传感器它是由微压阻式加速度传感器敏感单元通过引线2和外围电路连接组成；微压阻式加速度传感器敏感元件的硬实心梁式结构微压阻式加速度传感器敏感元件中的硅梁的横截面采用倒梯形结构，倒梯形结构梯形截面的下底边与微压阻式加速度传感器敏感元件中的硅基片连为一体，如图3所示。
本发明提供的一种阵列式微压阻式加速度传感器，其特征是它包含八个微压阻式加速度传感器敏感单元，所述的微压阻式加速度传感器敏感单元可以按照正方形、圆形、椭圆形的方式分别组成正方形、圆形、椭圆形阵列式微压阻式加速度传感器；所述的正方形阵列式微压阻式加速度传感器是在一个正方形的四个角上各放置一个微压阻式加速度传感器敏感单元，在正方形的每个边的中点上分别放置一个微压阻式加速度传感器敏感单元，每个微压阻式加速度传感器敏感单元通过引线2和外围电路连接组成一种正方形排列的阵列式微压阻式加速度传感器，如图4(a)所示；所述的圆形阵列式微压阻式加速度传感器是在一个圆的圆周上均匀排列八个微压阻式加速度传感器敏感单元，每个微压阻式加速度传感器敏感单元通过引线2与外围电路连接组成一种圆形排列的阵列式微压阻式加速度传感器，如图4(b)所示；所述的椭圆形阵列式微压阻式加速度传感器是在一个椭圆的长轴与椭圆圆周的两个交点上分别放置一个微压阻式加速度传感器敏感单元；在短轴与椭圆圆周的两个交点上分别放置一个微压阻式加速度传感器敏感单元；在与长轴成30°夹角的过圆心的直线与椭圆圆周的两个交点上分别放置一个微压阻式加速度传感器敏感单元；在与长轴成-30°夹角的过圆心的直线与椭圆圆周的两个交点上分别放置一个微压阻式加速度传感器敏感单元，每个微压阻式加速度传感器敏感单元通过引线2与外围电路连接组成一种椭圆形排列的阵列式微压阻式加速度传感器，如图4(c)所示。
需要说明的是，为了保证在高g值冲击加速度作用下，微压阻式加速度传感器敏感元件不会因强度发生破坏，微压阻式加速度传感器敏感元件可以采用硬实心梁式结构。
本发明的设计原理本发明的阵列式微压阻式加速度传感器是按照被测对象加速度场的分布特点，根据多元线性回归分析确定影响因子，多元非线性回归分析确定阻尼因子，并利用正交试验设计出传感阵列设计版图，从而保证以少量的传感器数目获得有效的加速度场信息。按照线性回归分析得到传感阵列设计版图如图4(a)所示，非线性回归分析得到传感阵列设计版图如图4(b)、(c)所示。
本发明的优点本发明提供的一种阵列式微压阻式加速度传感器与现有的微压阻式加速度传感器相比，由于是采用了八个微压阻式加速度传感器敏感单元，每个微压阻式加速度传感器敏感单元在加速度作用下同时工作，当其中某个敏感单元发生破碎或断裂现象，其他的微压阻式加速度传感器敏感单元仍可继续正常工作，提高了传感器的可靠性。而且，每个微压阻式加速度传感器敏感单元独立输出电信号，为后续电路处理提供高精度的保证。
图1是现有的微压阻式加速度传感器工作原理图其中，1是硅基片，2是引线，3是电阻，4是硅梁，5是硅质量块。
图2是现有的微压阻式加速度传感器结构示意图其中，图(a)是单悬臂梁式结构的微压阻式加速度传感器，图(b)是双悬臂梁式结构的微压阻式加速度传感器，图(c)是四梁式结构的微压阻式加速度传感器。
图3是本发明的微压阻式加速度传感器敏感元件的硬实心梁式结构示意图其中，1是硅基片，4是硅梁。
图4是本发明的阵列设计版图其中，图(a)是正方形排列的阵列式微压阻式加速度传感器设计版图，图(b)是圆形排列的阵列式微压阻式加速度传感设计版图，图(c)是椭圆形排列的阵列式微压阻式加速度传感器设计版图。
其中，6、7、8、9、10、11、12、13、14表示传感器敏感单元布置点。
图5是本发明的微阵列压阻式加速度传感器的结构设计6是本发明的具体实施方式
的测试图
具体实施例方式采用硅材料，利用现有的MEMS微加工技术，按照正圆形排列的阵列式微压阻式加速度传感器提供的设计版图，将八个微压阻式加速度传感器敏感单元制作在一个硅芯片上，每个微压阻式加速度传感器敏感单元通过引线2分别与外围电路连接，组成阵列式微压阻式加速度传感器，如图5所示。对阵列式微压阻式加速度传感器进行冲击测试，测试设备是SMAC，冲击加速度值为62500g。传感器瞬间得到响应，记录下完整的冲击加速度的瞬态波形，如图6所示。图6完整地记录下了本发明传感器的加载和卸载的全过程，其中虚线是SMAC设备中的标准传感器在62500g的冲击加速度作用下的输出波形，实线为本发明的传感器在62500g的冲击加速度作用下的输出波形，两者的一致性好；灵敏度为1.32μv/g。
本发明的阵列式微压阻加速度传感器，主要用于测试高g值的冲击加速度，如控制侵彻导弹中引信在预定目标起爆或对硬目标进行侵彻的武器以及汽车安全气囊等领域中。
权利要求
1.一种阵列式微压阻式加速度传感器，其特征是它包含八个微压阻式加速度传感器敏感单元，所述的微压阻式加速度传感器敏感单元可以按照正方形、圆形、椭圆形的方式分别组成正方形、圆形、椭圆形阵列式微压阻式加速度传感器所述的正方形阵列式微压阻式加速度传感器是在一个正方形的四个角上各放置一个微压阻式加速度传感器敏感单元，在正方形的每个边的中点上分别放置一个微压阻式加速度传感器敏感单元，每个微压阻式加速度传感器敏感单元通过引线(2)和外围电路连接组成一种正方形排列的阵列式微压阻式加速度传感器；所述的圆形阵列式微压阻式加速度传感器是在一个圆的圆周上均匀排列八个微压阻式加速度传感器敏感单元，每个微压阻式加速度传感器敏感单元通过引线(2)与外围电路连接组成一种圆形排列的阵列式微压阻式加速度传感器；所述的椭圆形阵列式微压阻式加速度传感器是在一个椭圆的长轴与椭圆圆周的两个交点上分别放置一个微压阻式加速度传感器敏感单元；在短轴与椭圆圆周的两个交点上分别放置一个微压阻式加速度传感器敏感单元；在与长轴成30°夹角的过圆心的直线与椭圆圆周的两个交点上分别放置一个微压阻式加速度传感器敏感单元；在与长轴成-30°夹角的过圆心的直线与椭圆圆周的两个交点上分别放置一个微压阻式加速度传感器敏感单元，每个微压阻式加速度传感器敏感单元通过引线(2)与外围电路连接组成一种椭圆形排列的阵列式微压阻式加速度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种阵列式微压阻式加速度传感器，其特征是所述的微压阻式加速度传感器敏感元件可以采用硬实心梁式结构，所述的硬实心梁式结构是指微压阻式加速度传感器敏感元件中的硅梁的横截面采用倒梯形结构(4)，倒梯形结构的梯形截面的下底边与微压阻式加速度传感器敏感元件中的硅基片(1)连为一体。
全文摘要
本发明提供了一种阵列式微压阻式加速度传感器，它包含八个微压阻式加速度传感器敏感单元，微压阻式加速度传感器敏感单元按照正方形、圆形、椭圆形的方式分别组成正方形、圆形、椭圆形敏感单元阵列；每个微压阻式加速度传感器敏感单元通过引线2和外围电路连接就可以分别组成正方形、圆形、椭圆形排列的阵列式微压阻式加速度传感器。与现有的微压阻式加速度传感器相比，本发明具有一次可以高精度、高可靠性地测量高g值的冲击加速度的特点。本发明可用于测试高g值的冲击加速度，如控制侵彻导弹中引信在预定目标起爆或对硬目标进行侵彻的武器以及汽车安全气囊等领域中。
文档编号G01P15/12GK1763549SQ20041004087
公开日2006年4月26日 申请日期2004年10月21日 优先权日2004年10月21日
发明者刘晓明 申请人:电子科技大学