本發(fā)明涉及mems（microelectricmechanicalsystems）傳感器領(lǐng)域中的壓阻式加速度傳感器，具體為一種低軸間耦合度的八梁三軸加速度傳感器。

背景技術(shù)：

加速度傳感器廣泛應(yīng)用于游戲控制、手柄振動(dòng)和搖晃、汽車制動(dòng)啟動(dòng)檢測(cè)、地震檢測(cè)、工程測(cè)振、地質(zhì)勘探、振動(dòng)測(cè)試與分析以及安全保衛(wèi)振動(dòng)偵察等多種領(lǐng)域。

加速度傳感器分為單軸加速度傳感器和三軸加速度傳感器。三軸加速度傳感器可由三個(gè)單軸加速度傳感器組合而成或單片集成。前者體積大、組裝精度低促進(jìn)了單片集成三軸加速度傳感器的發(fā)展。壓阻式加速度傳感器由于其穩(wěn)定性好，可以批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)具有廣泛的應(yīng)用前景。

但是壓阻式加速度傳感器質(zhì)量塊的中心與梁的中心不在同一平面上，非檢測(cè)輸出方向的加速度會(huì)對(duì)檢測(cè)輸出方向的壓敏電阻產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致檢測(cè)方向加速度對(duì)該壓敏電阻產(chǎn)生的應(yīng)力減小或增大，產(chǎn)生軸間耦合。

本發(fā)明正是基于以上問題進(jìn)行了八梁三軸加速度傳感器的設(shè)計(jì)以降低三軸加速度傳感器的軸間耦合度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有壓阻式八梁三軸加速度傳感器軸間耦合大的問題，而提供了一種用于降低八梁三軸加速度傳感器軸間耦合的傳感器。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種低軸間耦合度的八梁三軸加速度傳感器，整個(gè)傳感器為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。包括邊框，所述邊框中部設(shè)有敏感質(zhì)量塊，所述敏感質(zhì)量塊每邊通過兩個(gè)平行的矩形梁與邊框連接；具體為，所述敏感質(zhì)量塊右邊通過梁l1和梁l2與邊框連接、其上邊通過梁l3和梁l4與邊框連接、其左邊通過梁l5和梁l6與邊框連接、其下邊通過梁l7和梁l8與邊框連接。

以圖2為基準(zhǔn)，壓敏電阻在八個(gè)矩形梁上的分布如下：

所述梁l1的內(nèi)端（靠近質(zhì)量塊一端，下同）上部設(shè)有壓敏電阻x4、其外端（靠近邊框一端，下同）下部設(shè)有壓敏電阻a3；

所述梁l2的內(nèi)端上部和下部分別設(shè)有壓敏電阻z1和壓敏電阻a1、其外端上部和下部分別設(shè)有壓敏電阻x2和壓敏電阻c2；

所述梁l3的內(nèi)端左側(cè)和右側(cè)分別設(shè)有壓敏電阻y4和壓敏電阻c4、其外端左側(cè)和右側(cè)分別設(shè)有壓敏電阻z3和壓敏電阻b3；

所述梁l4的內(nèi)端右側(cè)設(shè)有壓敏電阻b1、其外端左側(cè)設(shè)有壓敏電阻y2；

所述梁l5的內(nèi)端下部設(shè)有壓敏電阻a2、其外端上部設(shè)有壓敏電阻x1；

所述梁l6的內(nèi)端上部和下部分別設(shè)有壓敏電阻x3和壓敏電阻c1、其外端上部和下部分別設(shè)有壓敏電阻z2和壓敏電阻a4；

所述梁l7的內(nèi)端左側(cè)和右側(cè)分別設(shè)有壓敏電阻z4和壓敏電阻b2、其外端左側(cè)和右側(cè)分別設(shè)有壓敏電阻y1和壓敏電阻c3；

所述梁l8的內(nèi)端左側(cè)設(shè)有壓敏電阻y3、其外端右側(cè)設(shè)有壓敏電阻b4。

定義：壓敏電阻m，m為x、y、z；壓敏電阻n，n為a、b、c；

則，壓敏電阻m和壓敏電阻n構(gòu)成檢測(cè)三個(gè)方向加速度的惠斯電橋，m1、m2、m3、m4分別與相對(duì)應(yīng)的n1、n2、n3、n4構(gòu)成惠斯通電橋的一個(gè)臂。

傳統(tǒng)的八梁三軸加速度傳感器三個(gè)方向的惠斯通電橋有四個(gè)壓敏電阻組成，非輸出方向加速度對(duì)輸出方向壓敏電阻產(chǎn)生的應(yīng)力不可避免。本發(fā)明通過在每個(gè)方向惠斯通電橋的臂上增加一個(gè)電阻，使得每個(gè)輸出方向惠斯通電橋的臂上有兩個(gè)壓敏電阻。當(dāng)有非輸出方向的加速度作用于傳感器上時(shí)，輸出方向惠斯通電橋每個(gè)臂上的兩個(gè)壓敏電阻受到非輸出方向加速度而產(chǎn)生的應(yīng)力大小相等，符號(hào)相反；當(dāng)輸出方向的加速度作用于傳感器時(shí)，輸出方向惠斯通電橋每個(gè)臂上的兩個(gè)壓敏電阻產(chǎn)生的應(yīng)力均為壓應(yīng)力或拉應(yīng)力。這種方法理論上可實(shí)現(xiàn)八梁三軸加速度傳感器的軸間耦合度為零。

為了驗(yàn)證本方案的可行性，通過有限元仿真軟件進(jìn)行了驗(yàn)證分析，每個(gè)梁縱向取了兩條路徑，路徑經(jīng)過壓敏電阻的縱向中心線，路徑的編號(hào)如圖2所示，p1、p2、p3、p4等。路徑從質(zhì)量塊開始，到邊框結(jié)束?？紤]到x方向與y方向的對(duì)稱性，只進(jìn)行x方向和z方向的驗(yàn)證。

1、x方向電橋分析

1.1、當(dāng)x方向的有加速度，y和z方向沒有加速度時(shí)

當(dāng)加速度計(jì)只受到x方向加速度作用，y和z方向沒有加速度作用時(shí)，梁的應(yīng)力變化如圖4所示。從圖中可以看出，壓敏電阻x1、x4、a1、a4受到壓應(yīng)力，電阻變小；壓敏電阻x2、x3、a2、a3受到張應(yīng)力，電阻變大。x方向惠斯通電橋各個(gè)壓敏電阻的變化如圖5所示。

假設(shè)壓敏電阻x1、x2、x3、x4和壓敏電阻a1、a2、a3、a4的初值都為r，變化量都為，則

輸出電壓

1.2、當(dāng)y方向有加速度，x和z方向沒有加速度時(shí)

當(dāng)加速度計(jì)只受到y(tǒng)方向加速度作用，x和z方向沒有加速度作用時(shí)，梁的應(yīng)力變化如圖6所示。從圖中可以看出，壓敏電阻x1、x2、x3、x4受到張應(yīng)力，電阻變大；壓敏電阻a1、a2、a3、a4受壓應(yīng)力，電阻變小。x方向惠斯通電橋各個(gè)壓敏電阻的變化如圖7所示。

假設(shè)壓敏電阻x1、x2、x3、x4和壓敏電阻a1、a2、a3、a4的初值都為r，變化量都為，則

輸出電壓

所以，當(dāng)y方向有加速度輸入時(shí)，x方向惠斯通電橋沒有輸出響應(yīng)，即y軸對(duì)x軸的輸出耦合為零。

1.3、當(dāng)z方向有加速度，x和y方向沒有加速度時(shí)

當(dāng)加速度計(jì)只受到z方向加速度作用，x和y方向沒有加速度作用時(shí)，梁的應(yīng)力變化如圖8所示。從圖中可以看出，壓敏電阻x1、x2、a3、a4受到張應(yīng)力，電阻變大；壓敏電阻a1、a2、x3、x4受壓應(yīng)力，電阻變小。x方向惠斯通電橋各個(gè)壓敏電阻的變化如圖9所示。

假設(shè)壓敏電阻x1、x2、x3、x4和壓敏電阻a1、a2、a3、a4的初值都為r，變化量都為，則

輸出電壓

所以，當(dāng)z方向有加速度輸入時(shí)，x方向惠斯通電橋沒有輸出響應(yīng)，即z軸對(duì)x軸的輸出耦合為零。

2、z方向電橋分析

2.1當(dāng)z方向有加速度，x和y方向沒有加速度時(shí)

當(dāng)加速度計(jì)只受到z方向加速度作用，x和y方向沒有加速度作用時(shí)，梁的應(yīng)力變化如圖8所示。從圖中可以看出，壓敏電阻z2、z3、c2、c3受到張應(yīng)力，電阻變大；壓敏電阻z1、z4、c1、c4受壓應(yīng)力，電阻變小。z方向惠斯通電橋各個(gè)壓敏電阻的變化如圖10所示。

假設(shè)壓敏電阻z1、z2、z3、z4和壓敏電阻c1、c2、c3、c4的初值都為r，變化量都為，則

輸出電壓

2.2、當(dāng)x方向有加速度，y和z方向沒有加速度時(shí)

當(dāng)加速度計(jì)只受到x方向加速度作用，y和z方向沒有加速度作用時(shí)，梁的應(yīng)力變化如圖4所示。從圖中可以看出，壓敏電阻z3、z4、c1、c2受到張應(yīng)力，電阻變大；壓敏電阻z1、z2、c3、c4受壓應(yīng)力，電阻變小。z方向惠斯通電橋各個(gè)電阻的變化如圖11所示。

假設(shè)壓敏電阻z1、z2、z3、z4和壓敏電阻c1、c2、c3、c4的初值都為r，變化量都為，則

輸出電壓

所以，當(dāng)x方向有加速度輸入時(shí)，z方向惠斯通電橋沒有輸出響應(yīng)，即x軸對(duì)z軸的輸出耦合為零。

3.3、當(dāng)y方向有加速度，x和z方向沒有加速度時(shí)

當(dāng)加速度計(jì)只受到y(tǒng)方向加速度作用，x和z方向沒有加速度作用時(shí)，梁的應(yīng)力變化如圖6所示。從圖中可以看出，壓敏電阻z3、z4、c1、c2受到張應(yīng)力，電阻變大；壓敏電阻z1、z2、c3、c4受壓應(yīng)力，電阻變小。z方向惠斯通電橋各個(gè)壓敏電阻的變化如圖12所示。

假設(shè)壓敏電阻z1、z2、z3、z4和壓敏電阻c1、c2、c3、c4的初值都為r，變化量都為，則

輸出電壓

所以，當(dāng)y方向有加速度輸入時(shí)，z方向惠斯通電橋沒有輸出響應(yīng)，即y軸對(duì)z軸的輸出耦合為零。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有降低傳感器軸間耦合的功能，分別對(duì)原有傳感器和新設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果如表1、表2、表3所示，從三個(gè)表中可以看出新結(jié)構(gòu)的軸間耦合度比原來結(jié)構(gòu)的軸間耦合度降低了大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。

當(dāng)x方向施加50g加速度，y和z方向沒有加速度時(shí)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)x、y和z三個(gè)方向電橋的輸出靈敏度如表1所示。

當(dāng)y方向施加50g加速度，x和z方向沒有加速度時(shí)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)x、y和z三個(gè)方向電橋的輸出靈敏度如表2所示。

當(dāng)z方向施加50g加速度，x和y方向沒有加速度時(shí)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)x、y和z三個(gè)方向電橋的輸出靈敏度如表3所示。

表1僅在x方向施加50g加速度時(shí)兩種加速度傳感器三個(gè)方向電橋輸出靈敏度

表2僅在y方向施加50g加速度時(shí)兩種加速度傳感器三個(gè)方向電橋輸出靈敏度

表3僅在z方向施加50g加速度時(shí)兩種加速度傳感器三個(gè)方向電橋輸出靈敏度

本發(fā)明為一種檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體三個(gè)方向加速度的mems壓阻式八梁三軸加速度傳感器，通過合理的增加壓敏電阻的數(shù)量并正確的布置壓敏電阻的位置，解決了梁結(jié)構(gòu)壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)上必然導(dǎo)致軸間耦合度大的難題，有效降低了傳感器的軸間耦合度。

本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝成熟、成本低、適于大批量生產(chǎn)和應(yīng)用前景廣泛等特點(diǎn)。

附圖說明

圖1表示本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)剖視示意圖。

圖2表示本發(fā)明傳感器壓敏電阻在梁上的分布。

圖3a表示壓敏電阻構(gòu)成的檢測(cè)x方向加速度的惠斯通電橋。

圖3b表示壓敏電阻構(gòu)成的檢測(cè)y方向加速度的惠斯通電橋。

圖3c表示壓敏電阻構(gòu)成的檢測(cè)z方向加速度的惠斯通電橋。

圖4a表示加速度計(jì)僅受到x方向的加速度作用時(shí)梁上x方向應(yīng)力。

圖4b表示加速度計(jì)僅受到x方向的加速度作用時(shí)梁上y方向應(yīng)力。

圖5表示加速度計(jì)只受到x方向加速度時(shí)x方向電橋各個(gè)電阻的變化。

圖6a表示加速度計(jì)僅受到y(tǒng)方向的加速度作用時(shí)梁x方向的應(yīng)力。

圖6b表示加速度計(jì)僅受到y(tǒng)方向的加速度作用時(shí)梁y方向的應(yīng)力。

圖7表示加速度計(jì)只受到y(tǒng)方向加速度時(shí)x方向電橋各個(gè)電阻的變化。

圖8a表示加速度計(jì)僅受到z方向的加速度作用時(shí)梁x方向的應(yīng)力上的應(yīng)力。

圖8b表示加速度計(jì)僅受到z方向的加速度作用時(shí)梁y方向的應(yīng)力上的應(yīng)力。

圖9表示表示加速度計(jì)只受到z方向加速度時(shí)x方向電橋各個(gè)電阻的變化。

圖10表示加速度計(jì)只受到z方向加速度時(shí)z方向電橋各個(gè)電阻的變化。

圖11表示加速度計(jì)只受到x方向加速度時(shí)z方向電橋各個(gè)電阻的變化。

圖12表示加速度計(jì)只受到y(tǒng)方向加速度時(shí)z方向電橋各個(gè)電阻的變化。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。

一種低軸間耦合度的八梁三軸加速度傳感器，如圖1所示，該傳感器由一個(gè)敏感質(zhì)量塊2、一個(gè)邊框1和八個(gè)矩形梁3構(gòu)成，質(zhì)量塊與邊框的每條邊上分布兩個(gè)相互平行的矩形梁，整個(gè)傳感器為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。具體為，所述敏感質(zhì)量塊2右邊通過梁l1和梁l2與邊框1連接、其上邊通過梁l3和梁l4與邊框1連接、其左邊通過梁l5和梁l6與邊框1連接、其下邊通過梁l7和梁l8與邊框1連接。

壓敏電阻在八個(gè)矩形梁上的分布如下，如圖2所示：

梁l1的內(nèi)端（靠近質(zhì)量塊一端，下同）上部設(shè)有壓敏電阻x4、其外端（靠近邊框一端，下同）下部設(shè)有壓敏電阻a3。

梁l2的內(nèi)端上部和下部分別設(shè)有壓敏電阻z1和壓敏電阻a1、其外端上部和下部分別設(shè)有壓敏電阻x2和壓敏電阻c2。

梁l3的內(nèi)端左側(cè)和右側(cè)分別設(shè)有壓敏電阻y4和壓敏電阻c4、其外端左側(cè)和右側(cè)分別設(shè)有壓敏電阻z3和壓敏電阻b3。

梁l4的內(nèi)端右側(cè)設(shè)有壓敏電阻b1、其外端左側(cè)設(shè)有壓敏電阻y2。

梁l5的內(nèi)端下部設(shè)有壓敏電阻a2、其外端上部設(shè)有壓敏電阻x1。

梁l6的內(nèi)端上部和下部分別設(shè)有壓敏電阻x3和壓敏電阻c1、其外端上部和下部分別設(shè)有壓敏電阻z2和壓敏電阻a4。

梁l7的內(nèi)端左側(cè)和右側(cè)分別設(shè)有壓敏電阻z4和壓敏電阻b2、其外端左側(cè)和右側(cè)分別設(shè)有壓敏電阻y1和壓敏電阻c3。

梁l8的內(nèi)端左側(cè)設(shè)有壓敏電阻y3、其外端右側(cè)設(shè)有壓敏電阻b4。

定義：壓敏電阻m，m為x、y、z；壓敏電阻n，n為a、b、c；

則，壓敏電阻m和壓敏電阻n構(gòu)成檢測(cè)三個(gè)方向加速度的惠斯電橋，m1、m2、m3、m4分別與相對(duì)應(yīng)的n1、n2、n3、n4構(gòu)成惠斯通電橋的一個(gè)臂，如圖3a、3b、3c所示。

具體制備時(shí)，敏感質(zhì)量塊2的結(jié)構(gòu)尺寸（長(zhǎng)寬厚）為3200μm×3200μm×380μm；邊框1的寬度為1000μm、厚度為395μm；矩形梁3的結(jié)構(gòu)尺寸（長(zhǎng)寬厚）為700μm×200μm×15μm，壓敏電阻的結(jié)構(gòu)尺寸（長(zhǎng)寬）為8μm×8μm。

以上僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，但并不局限于此。任何以本發(fā)明為基礎(chǔ)解決基本相同的技術(shù)問題，或?qū)崿F(xiàn)基本相同的技術(shù)效果，所作出地簡(jiǎn)單變化、等同替換或者修飾等，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。