基于双路循环电桥检测的三轴压阻式加速度传感器的制造方法
【专利摘要】本发明为一种基于双路循环电桥检测的三轴压阻式加速度传感器，该传感器的该检测法打破了普通三轴压阻式加速度传感器至少使用12个压敏电阻，每4个连接成一个惠斯通电桥检测一个方向输出信号的“单向检测”规律，提出了一种对三轴加速度传感器三个方向的输出信号进行实时检测的循环检测电桥法，该循环检测电桥由8个压敏电阻共用桥臂而组成。对比本发明传感器的双路循环电桥检测法和普通传感器的单向检测法可以得出，采用双路循环电桥检测法有效地提高了三轴加速度传感器的灵敏度，同时降低了它的横向耦合。
【专利说明】基于双路循环电桥检测的三轴压阻式加速度传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种MEMS传感器，具体是一种基于双路循环电桥检测的三轴压阻式加速度传感器。
【背景技术】
[0002]基于MEMS技术的硅微机械传感器以其体积小、重量轻、抗强辐射、易于批量化生产等优点受到人们的亲睐。尤其是硅微加速度传感器作为一种惯性器件，已经广泛的应用于航天航空、自动控制、振动测试、生物、化学和医学分析等日常生活领域。
[0003]硅微机械加速度传感器因其敏感机理不同而分为压阻式，压电式，电容式等，其中压阻式加速度传感器非线性度小、功耗低、结构简单等优点对研究人员有着很大的吸引力，但其灵敏度不如压电式和电容式加速度传感器的灵敏度高。现有的三轴压阻式加速度传感器，其输出信号的检测通常采用至少使用12个压敏电阻，每4个连接成一个惠斯通电桥检测一个方向输出信号的“单向检测”方法，采用该种检测方法的三轴压阻式加速度传感器其检测灵敏度较低，并且有较高的横向耦合。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种基于双路循环电桥检测的三轴压阻式加速度传感器。 [0005]本发明是通过以下技术方案实现的:
一种基于双路循环电桥检测的三轴压阻式加速度传感器，包括支撑边框、弹性悬臂梁以及通过弹性悬臂梁支悬于支撑边框中心位置的中心质量块，中心质量块的四个边分别通过两根平行的弹性悬臂梁与支撑边框固定，支撑边框的下表面超出中心质量块的下表面，且支撑边框下表面通过硅-硅键合技术键合有硅基座；连接支撑边框和中心质量块的八根弹性悬臂梁上对称均布有十六个阻值相等的应变压敏电阻:RX11、Rxi2> Rxi3> RX14、Rx21 >Rx22、Rx23、Rx24、^Yl I > Ry12、Ry13、Ry14、Ry21、Ry22、Ry23、^y24? 其中，
R X13 和 R X21 位于X方向四根弹性悬臂梁中左上方的弹性悬臂梁上，Rxi4和Rx22位于X方向四根弹性悬臂梁中右上方的弹性悬臂梁上，Rx23和Rxil位于X方向四根弹性悬臂梁中左下方的弹性悬臂梁上，Rx24和Rxi2位于X方向四根弹性悬臂梁中右下方的弹性悬臂梁上，Ry23和Ryii位于Y方向四根弹性悬臂梁中左上方的弹性悬臂梁上，Ry13和Ry21位于Y方向四根弹性悬臂梁中右上方的弹性悬臂梁上，Ry24和Ry12位于Y方向四根弹性悬臂梁中左下方的弹性悬臂梁上，Ryi4和Ry22位于Y方向四根弹性悬臂梁中右下方的弹性悬臂梁上；每根弹性悬臂梁上的两个压敏电阻分别位于弹性悬臂梁的两端，其中，Rx13> Rxl4> Rx23> Rx24> Ry23> Ryi3> Ry24> Ryi4位于弹性悬臂梁上靠近中心质量块的一端，Rx2I > Κχ22 > Rxil > RX12 > Ryil > RY21 > RY12 > RY22位于弹性悬臂梁上靠近支撑边框的一端；Rxil、Rxi2、Rxi3、Rxi4、Ryi1、Ry12、Ry13、Ryi4八个应变压敏电阻连接成第一路循环电桥检测电路，其中，Rxil和Rxi3上下串联成第一支路，Rxi2和Rxi4上下串联成第二支路，Ryi4和Ry12上下串联成第三支路，Ry13和Ryii上下串联成第四支路，第一支路、第二支路、第三支路和第四支路之间并联连接，第一支路、第二支路、第三支路和第四支路的上端共同连接为第一路循环电桥检测电路的一个输入端Vcc，第一支路、第二支路、第三支路和第四支路的下端共同连接为第一路循环电桥检测电路的另一个输入端GND，第一支路的RX11、Rxi3之间和第二支路的RX12、RX14之间为第一路循环电桥检测电路的第一个输出端X1，第二支路的RX12、Rxi4之间和第三支路的RY14、Ry12之间为第一路循环电桥检测电路的第二个输出端Z11,第三支路的RY14、Ry12之间和第四支路的RY13、Ryu之间为第一路循环电桥检测电路的第三个输出端Y1，第四支路的RY13、RY11之间和第一支路的RX11、RX13之间为第一路循环电桥检测电路的第四个输出端Z12 ;RX21、Rx22, Rx23> Rx24> Ry21 > Ry22> Ry23> Ry24八个应变压敏电阻连接成第二路循环电桥检测电路，其中，Rx21和Rx23上下串联成第五支路，Rx22和Rx24上下串联成第六支路，Ry24和Ry22上下串联成第七支路，Ry23和Ry21上下串联成第八支路，第五支路、第六支路、第七支路和第八支路之间并联连接，第五支路、第六支路、第七支路和第八支路的上端共同连接为第二路循环电桥检测电路的一个输入端Vcc，第五支路、第六支路、第七支路和第八支路的下端共同连接为第二路循环电桥检测电路的另一个输入端GND，第五支路的RX21、Rx23之间和第六支路的RX22、Rx24之间为第二路循环电桥检测电路的第一个输出端X2，第六支路的RX22、RX24之间和第七支路的RY24、RY222间为第二路循环电桥检测电路的第二个输出端Z21，第七支路的RY24、Ry22之间和第八支路的RY23、Ry21之间为第二路循环电桥检测电路的第三个输出端Y2，第八支路的RY23、Ry21之间和第五支路的RX21、Rx23之间为第二路循环电桥检测电路的第四个输出端Z22。
[0006]在第一路循环电桥检测电路中，四个应变压敏电阻RX11、Rxi2> Rxi3> Rxi4组成一个电桥，用来检测X方向的输出电压VtjutXl ;四个应变压敏电阻RY11、RY12、RY13、RY14组成一个电桥，用来检测Y方向的输出电压VtjutYI ；四个应变压敏电阻Rxi2、Ryi4、Ry12、Rxi4组成一个电桥，用来检测Z方向的输出电压VtjutZ11 ;四个应变压敏电阻Rxn、RY13、Ryi1、Rxi3组成一个电桥，用来检测Z方向的输出电压VtjutZll,并且这两个输出电压叠加之后得到的VwtZll+ VoutZll=VoutZl就是Z方向的输出电压。
[0007]在第二路循环电桥检测电路中，四个应变压敏电阻Rx21、Rx22、Rx23、Rx24组成一个电桥，用来检测X方向的输出电压U2 ;四个应变压敏电阻Ry21、Ry22、Ry23、Ry24组成一个电桥，用来检测Y方向的输出电压U2 ；四个应变压敏电阻Rx22、RY24、Ry22、Rx24组成一个电桥，用来检测Z方向的输出电压V-Z21 ；四个应变压敏电阻Rx21、RY23、Ry21、Rx23组成一个电桥，用来检测Z方向的输出电压ν_Ζ22，并且这两个输出电压叠加之后得到的VwtZ21+ V0UtZ22=V0UtZ2就是Z方向的输出电压。
[0008]本发明传感器是将“8梁一质量块”结构的三轴加速度传感器的8根梁上的16压敏电阻分成两组，每一组的8个压敏电阻组成一个循环检测电桥(第一、二路循环电桥检测电路)，将两个循环检测电桥X、Y、Z方向的输出信号分别通过LM224运放集成芯片连接反相加法电路进行叠加，作为最终的输出信号。
[0009]对于“8梁一质量块”结构的三轴加速度传感器来说，从16个压敏电阻中合理的选择8个压敏电阻组成一个单路循环检测电桥(第一、二路循环电桥检测电路)，就可以实现对三轴加速度传感器三个方向输出信号的检测。若将16个压敏电阻分为两组，组成一个双路循环检测电桥(第一路循环电桥检测电路+第二路循环电桥检测电路)，即将两个单路循环检测电桥X、Y、Z方向的输出电压分别相加作为最终的输出电压，采用这种双路循环检测电桥的输出电压将是单路循环检测电桥输出电压的2倍。与“单向检测法”相比，双循环电桥检测法可以提高传感器的灵敏度同时降低其横向耦合。
[0010]为了验证本发明双路循环电桥检测法在提高三轴加速度传感器灵敏度方面的优越性，采用Ansys有限元仿真软件对三轴加速度传感器进行模型建立与受力分析，分别在加速度传感器三个方向施加Ig的加速度载荷，得到传感器结构的形变图，如图5、6、7。通过在悬臂梁上定义路径，提取路径数据，分析数据找出悬臂梁上两个压敏电阻变化量相等的位置，即为所加工三轴加速度传感器悬臂梁上压敏电阻的实际位置。将悬臂梁上压敏电阻所在位置的受力通过路径提取，然后经过计算得到加速度传感器的灵敏度和横向耦合。表I是采用循环电桥检测法的加速度传感器的灵敏度和横向耦合。
[0011]表1.
【权利要求】
1. 一种基于双路循环电桥检测的三轴压阻式加速度传感器，包括支撑边框（1)、弹性 悬臂梁（2)以及通过弹性悬臂梁（2)支悬于支撑边框（1)中心位置的中心质量块（3)，中心 质量块（3)的四个边分别通过两根平行的弹性悬臂梁（2)与支撑边框（1)固定，支撑边框 (1)的下表面超出中心质量块（3 )的下表面，且支撑边框（1)下表面通过硅-硅键合技术键 合有硅基座，其特征在于：连接支撑边框（1)和中心质量块（3)的八根弹性悬臂梁（2)上对 称均布有十六个阻值相等的应变压敏电阻: Rxil、Rxi2、Rxi3、Rxi4、Rx21、Rx22、Rx23、Rx24、^Yll、Ryi2、 Ry13、Ry14、RY21、RY22、RY23、RY24，其中，R X13和R X21位于X方向四根弹性悬臂梁（2)中左上方的 弹性悬臂梁（2)上，RX14和RX22位于X方向四根弹性悬臂梁（2)中右上方的弹性悬臂梁（2) 上，RX23和RX11位于X方向四根弹性悬臂梁（2)中左下方的弹性悬臂梁（2)上，RX24和RX12位 于X方向四根弹性悬臂梁（2)中右下方的弹性悬臂梁（2)上，RY23和RY11位于Y方向四根弹 性悬臂梁（2)中左上方的弹性悬臂梁（2)上，RY13和RY21位于Y方向四根弹性悬臂梁（2)中 右上方的弹性悬臂梁（2)上，RY24和RY12位于Y方向四根弹性悬臂梁（2)中左下方的弹性悬 臂梁（2)上，&14和‘2位于Y方向四根弹性悬臂梁（2)中右下方的弹性悬臂梁（2)上；每 根弹性悬臂梁（2)上的两个压敏电阻分别位于弹性悬臂梁（2)的两端，其中，RX13、RX14、RX23、 RX24> RY23> RY13> RY24> RY14位于弹性悬臂梁（2 )上靠近中心质量块（3)的一端，Rx21、Rx22、Rxll、 RX12> RY11> RY21> RY12> RY22 位于弹性悬臂梁（2)上靠近支撑边框（1 )的一端；R)(ll、R)(12、、RY11、RY12、RY13、RY14八个应变压敏电阻连接成第一路循环电桥检测电路，其中，RX11和RX13上下 串联成第一支路，rx12和rx14上下串联成第二支路，ry14和ry12上下串联成第三支路，RY13和 RY11上下串联成第四支路，第一支路、第二支路、第三支路和第四支路之间并联连接，第一支 路、第二支路、第三支路和第四支路的上端共同连接为第一路循环电桥检测电路的一个输 入端Vcc，第一支路、第二支路、第三支路和第四支路的下端共同连接为第一路循环电桥检 测电路的另一个输入端GND，第一支路的RX11、RX13之间和第二支路的RX12、RX14之间为第一路 循环电桥检测电路的第一个输出端Xi，第二支路的RX12、Rx14之间和第三支路的RY14、Ry12之 间为第一路循环电桥检测电路的第二个输出端Zn，第三支路的RY14、Ry12之间和第四支路的 RY13、RY11之间为第一路循环电桥检测电路的第三个输出端t，第四支路的RY13、RY11之间和第 一支路的Rm、Rxis之间为第一路循环电桥检测电路的第四个输出端Z12 ;RX21、RX22、RX23、RX24、 RY21、RY22、RY23、RY24八个应变压敏电阻连接成第二路循环电桥检测电路，其中，RX21和RX23上下 串联成第五支路，RX22和上下串联成第六支路，RY24和上下串联成第七支路，RY23和 rY21上下串联成第八支路，第五支路、第六支路、第七支路和第八支路之间并联连接，第五支 路、第六支路、第七支路和第八支路的上端共同连接为第二路循环电桥检测电路的一个输 入端VCC，第五支路、第六支路、第七支路和第八支路的下端共同连接为第二路循环电桥检 测电路的另一个输入端GND，第五支路的RX21、RX23之间和第六支路的RX22、RX24之间为第二路 循环电桥检测电路的第一个输出端X2，第六支路的RX22、RX24之间和第七支路的RY24、RY22之 间为第二路循环电桥检测电路的第二个输出端Z21，第七支路的RY24、RY22之间和第八支路的 RY23、RY21之间为第二路循环电桥检测电路的第三个输出端Y2，第八支路的RY23、RY21之间和第 五支路的RX21、RX23之间为第二路循环电桥检测电路的第四个输出端Z22。
【文档编号】G01P15/18GK103616531SQ201310669325
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】张文栋, 何常德, 张娟婷, 张国军, 薛晨阳, 熊继军, 刘俊, 杜春晖, 张永平 申请人:中北大学