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1、微系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用 加速度傳感器的原理與構(gòu)造 班 級：2012機自實驗班 指導(dǎo)教師：xxx 小組成員：xxx xx大學(xué)機械工程學(xué)院 二OO五年十一月 摘 要 隨著硅微機械加工技術(shù)(MEMS)的迅猛發(fā)展,各種基于MEMS技術(shù)的器件也應(yīng)運而生,目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的就有壓力傳感器、加速度傳感器、光開關(guān)等等,它們有著體積小、質(zhì)量輕、成本低、功耗低、可靠性高等特點,而且因為其加工工藝一定程度上與傳統(tǒng)的集成電路工藝兼容,易于實現(xiàn)數(shù)字化、智能化以及批量生產(chǎn),因而從問世起就引起了廣泛關(guān)注,并且在汽車、醫(yī)藥、導(dǎo)航和控制、生化分析、工業(yè)檢測等

2、方面得到了較為迅速的應(yīng)用。其中加速度傳感器就是廣泛應(yīng)用的例子之一。加速度傳感器的原理隨其應(yīng)用而不同，有壓阻式，電容式，壓電式，諧振式等。本文著手于不同加速度傳感器的原理、制作工藝及應(yīng)用展開，能夠使之更加全面了解加速度傳感器。 關(guān)鍵詞：加速度傳感器，壓阻式，電容式，原理，構(gòu)造 目 錄 1 壓阻式加速度傳感器 3 1.1 壓阻式加速度傳感器的組成 3 1.2 壓阻式加速度傳感器的原理 3 1.2.1 敏感原理 4 1.2.2 壓阻系數(shù) 5 1.2.3 懸臂梁分析 6 1.3 MEMS壓阻式加速度傳感器制造工藝 7 1.3.1結(jié)構(gòu)部分 7 1.3.2 硅帽部分 9

3、 1.3.3鍵合、劃片 10 2電容式加速度傳感器 10 2.1電容式加速度傳感器原理 10 2.1.1 電容器加速度傳感器力學(xué)模型 10 2.1.2電容式加速度傳感器數(shù)學(xué)模型 12 2.2電容式加速度傳感器的構(gòu)造 13 2.2.1機械結(jié)構(gòu)布局的選擇與設(shè)計 13 2.3.2材料的選擇 15 2.3.3工藝的選擇 16 2.3.4具體構(gòu)造及加工工藝 17 3 其他加速度傳感器 18 3.1 光波導(dǎo)加速度計 18 3.2微諧振式加速度計 18 3.3熱對流加速度計 19 3.4壓電式加速度計 20 4 加速度傳感器的應(yīng)用 20 4.1原理 20 4.2 功能 21

4、 參 考 文 獻 21 1 壓阻式加速度傳感器 壓阻式器件是最早微型化和商業(yè)化的一類加速度傳感器。這類加速度傳感器的懸臂梁上制作有壓敏電阻，當(dāng)慣性質(zhì)量塊發(fā)生位移時:會引起懸臂梁的伸長或壓縮，改變梁上的應(yīng)力分布，進而影響壓敏電阻的阻值.壓阻電阻多位于應(yīng)力變化最明顯的部位。這樣，通過兩個或四個壓敏電阻形成的電橋就可實現(xiàn)加速度的測量。其特點在于壓阻式加速度傳感器低頻信號好、可測量直流信號、輸入阻抗低、且工作溫度范圍寬，同時它的后處理電路簡單、體積小、質(zhì)量輕，因此在汽車、測振、航天、航空、航船等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。 1.1 壓阻式加速度傳感器的組成 MEMS壓阻式加速度傳感器的敏感

5、元件由彈性梁、質(zhì)量塊、固定框組成。壓阻式加速度傳感器實質(zhì)上是一個力傳感器，他是利用用測量固定質(zhì)量塊在受到加速度作用時產(chǎn)生的力F來測得加速度a的。在目前研究尺度內(nèi)，可以認(rèn)為其基本原理仍遵從牛頓第二定律。也就是說當(dāng)有加速度a作用于傳感器時，傳感器的慣性質(zhì)量塊便會產(chǎn)生一個慣性力:F=ma,此慣性力F作用于傳感器的彈性梁上，便會產(chǎn)生一個正比于F的應(yīng)變。，此時彈性梁上的壓敏電阻也會隨之產(chǎn)生一個變化量△R，由壓敏電阻組成的惠斯通電橋輸出一個與△R成正比的電壓信號V。 1.2 壓阻式加速度傳感器的原理 本系統(tǒng)的信號檢測電路采用壓阻全橋來作為信號檢測電路。 電橋采用恒壓源供電，橋壓為。設(shè)、為正應(yīng)

6、變電阻，、為負(fù)應(yīng)變電阻，則電橋的輸出表達式為: 我們在電阻布局設(shè)計、制造工藝都保證壓敏電阻的一致性，因此可以認(rèn)為有的壓敏電阻和壓敏電阻的變化量都是相等的，即: 則電橋輸出的表達式變?yōu)? 1.2.1 敏感原理 本論文采用的是壓阻式信號檢測原理，其核心是半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng).壓阻效應(yīng)是指當(dāng)材料受到外加機械應(yīng)力時，材料的體電阻率發(fā)生變化的材料性能。晶體結(jié)構(gòu)的形變破壞了能帶結(jié)構(gòu)，從而改變了電子遷移率和載流子密度，使材料的電阻率或電導(dǎo)發(fā)生變化。一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為： 式中，電阻絲的電阻率;電阻絲的長度;電阻絲的截面積。 當(dāng)電阻絲受到拉力作用時

7、，將伸長，橫截面積相應(yīng)減少,電阻率則因晶格發(fā)生變形等因素的影響而改變，故引起電阻值變化。對全微分，并用相對變化量來表示，則有 式中的為電阻絲的軸向應(yīng)變.常用單位。若徑向應(yīng)變?yōu)?，由材料力學(xué)可知，式中為電阻絲材料的泊松系數(shù)，又因為，代入式可得 靈敏系數(shù)為 對于半導(dǎo)體電阻材料，，即因機械變形引起的電阻變化可以忽略，電阻的變化率主要由引起，即可見，壓阻式傳感器就是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而工作的。 1.2.2 壓阻系數(shù) 最常用的半導(dǎo)體電阻材料有硅和鍺，摻入雜質(zhì)可形成P型或N型半導(dǎo)體。其壓阻效應(yīng)是因在外力作用下，原子點陣排列發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及濃度發(fā)生變化而形成的。由于

8、半導(dǎo)體(如單晶硅)是各向異性材料，因此它的壓阻效應(yīng)不僅與摻雜濃度、溫度和材料類型有關(guān)，還與晶向有關(guān)。 壓阻效應(yīng)的強弱可以用壓阻系數(shù)來表征。壓阻系數(shù)π被定義為單位應(yīng)力作用下電阻率的相對變化。壓阻效應(yīng)有各向異性特征，沿不同的方向施加應(yīng)力和沿不同方向通過電流，其電阻率變化會不相同。晶軸坐標(biāo)系壓阻系數(shù)的矩陣可寫成 由此矩陣可以看出，獨立的壓阻系數(shù)分量只有、、三個。稱為縱向壓阻系數(shù); 稱為橫向壓阻系數(shù); 稱為剪切壓阻系數(shù).必須強調(diào)一下，、、是相對于晶軸坐標(biāo)系三個晶軸方向的三個獨立分量。有了晶軸坐標(biāo)系的壓阻系數(shù)之后，就可求出任意晶向的縱向壓阻系數(shù)及橫向壓阻系數(shù)。設(shè)某晶面的晶向的方向余弦為、、，其某

9、一橫向的方向余弦為、、，則可求出: 如果單晶體在此晶向上同時有縱向應(yīng)力的作用，則在此晶向上(必須是電流流過方向)的電阻率相對變化，可按下式求得: 此式說明，在同一晶體上由兩部分組成，一部分是由縱向壓阻效應(yīng)引起的，一部分是由橫向壓阻效應(yīng)引起的。下表給出了硅和鍺中的獨立壓阻系數(shù)分量的值。 硅和鍺的獨立壓阻系數(shù) 材料類型 電阻率 P-Si 7.8 6.6 -1.1 138.1 N-Si 11.7 -102.2 53.4 -13.6 P-Ge 1.1 -3.7 3.2 96.7 N-Ge 9.9 -4.7 -5 -137.9

10、1.2.3 懸臂梁分析 懸臂梁根部的橫向受力： 質(zhì)量塊的質(zhì)量；懸臂梁的寬度和厚度，；質(zhì)量塊中心至懸臂梁根部的距離；加速度 懸臂梁的電阻的相對變化率： 1.3 MEMS壓阻式加速度傳感器制造工藝 為加工出圖示的加速度傳感器,主要采用下列加工手段來實現(xiàn)。采用注入、推進、氧化的創(chuàng)新工藝來制作壓敏電阻；采用KHO各向異性深腐蝕來形成質(zhì)量塊；并使用AES來釋放梁和質(zhì)量塊；最后利用鍵合工藝來得到所需的“三明治”結(jié)構(gòu)。 （使用的是400μm厚、N型(100)晶向、電阻率p=2-4Ω的雙面拋光硅片。） 1.3.1結(jié)構(gòu)部分 工藝步驟 工藝剖面圖 初次清洗，

11、熱氧化300 第一次光刻，反應(yīng)離子刻蝕余厚400-800 硼離子注入 去膠 硼驅(qū)入，具體工藝包括清洗、驅(qū)硼、氧化等 二次光刻，反應(yīng)離子刻蝕 去膠 濃硼擴散，工藝內(nèi)容包括清洗、擴散、低溫氧化、漂氧化硅、推進、熱氧化 第三次光刻，反應(yīng)離子刻蝕 BHF漂正反面 LPCVD 3500 1200 第六次光刻，腐蝕Au/Cr，去膠 第七次刻蝕，反應(yīng)離子刻蝕 刻蝕，ICP刻硅釋放結(jié)構(gòu) 去膠，去導(dǎo)熱硅脂 1.3.2 硅帽部分 1.3.3鍵合、劃片 2 電容式加速度傳感器 電容式加速度傳

12、感器，在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如發(fā)動機，數(shù)控車床等等。它具有電路結(jié)構(gòu)簡單，頻率范圍寬約為0～450Hz，線性度小于1%，靈敏度高，輸出穩(wěn)定，溫度漂移小，測量誤差小，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，輸出阻抗低，輸出電量與振動加速度的關(guān)系式簡單方便易于計算等優(yōu)點，具有較高的實際應(yīng)用價值。 2.1電容式加速度傳感器原理 電容式加速度傳感器是基于電容原理的極距變化型的電容傳感器，其中一個電極是固定的，另一變化電極是彈性膜片。彈性膜片在外力(氣壓、液壓等)作用下發(fā)生位移，使電容量發(fā)生變化。這種傳感器可以測量氣流(或液流)的振動速度(或加速度)，還可以進一步測出壓力。 2.1.1 電容器加速度傳感器力學(xué)模型

13、 電容式加速度傳感器從力學(xué)角度可以看成是一個質(zhì)量—彈簧—阻尼系統(tǒng)，加速度通過質(zhì)量塊形成慣性力作用于系統(tǒng)，如圖一所示。 根據(jù)牛頓第二定律,對于該力學(xué)模型,可以列寫出下列二階微分方程： 其中 將上式進行零初始條件下的拉普拉斯變換,得 由此可得以加速度作為輸入變量，質(zhì)量塊相對殼體位移為輸出變量；傳遞函數(shù)為 可見,如果將傳感器的殼體固定在載體上,只要能把質(zhì)量塊在敏感軸方向相對殼體的位移測出來,便可以把它作為加速度的間接度量。由上式可見，傳感器無阻尼自振角頻率為 傳感器阻尼比為 從上式可以看出，當(dāng)處于常加速度輸入下的穩(wěn)態(tài)時，其質(zhì)量塊相對殼體位移趨于如下

14、穩(wěn)態(tài)值： 由上式可見，質(zhì)量塊越大，彈性系數(shù)越小，即系統(tǒng)無阻尼自振角頻率越低，則電容式加速度傳感器靈敏度越高。穩(wěn)態(tài)靈敏度為： 2.1.2電容式加速度傳感器數(shù)學(xué)模型 當(dāng)加速度時，質(zhì)量塊位于平衡位置，兩差動電容相等，即 當(dāng)加速度a不為0 時，質(zhì)量塊受到加速度引起的慣性力產(chǎn)生位移x，兩差動電容間隙分別變?yōu)? 可得差動方式時總的電容變化量為 質(zhì)量塊由于加速度造成的微小位移可轉(zhuǎn)化為差動電容的變化，并且兩電容的差值與位移量成正比?？傻幂斎爰铀俣萢和差動電容變化的關(guān)系為 由加速度變化到敏感電容變化的靈敏度為 電容式加速度傳感器的分辨率受到電容檢

15、測電路分辨率的限制，分辨率為 2.2電容式加速度傳感器的構(gòu)造 2.2.1機械結(jié)構(gòu)布局的選擇與設(shè)計 當(dāng)前大多數(shù)的電容式加速度傳感器都是由三部分硅晶體圓片構(gòu)成的，中層是由雙層的SOI硅片制成的活動電容極板。如圖一所示， 中間的活動電容極板是由八個彎曲彈性連接梁所支撐，夾在上下層兩塊固定的電容極板之間。提高精度很重要的一項措施就是采用差動測量方式，極大地提高了信噪比。因此，電容式MEMS加速度傳感器幾乎全部采用差動結(jié)構(gòu)。 電容式Mems加速度傳感器的結(jié)構(gòu)布局 1．基本結(jié)構(gòu)的選擇 電容式 MEMS加速度傳感器有許多種機械結(jié)構(gòu)，。選擇好的機械結(jié)構(gòu)，將有助于滿足和提高傳感器的性

16、能，如固有頻率、量程 、機械強度 、對載荷的響應(yīng)等等。另外，微加速度計的結(jié)構(gòu)尺寸除了要滿足上述條件外，隨著尺寸的縮小，一些在運動中起主導(dǎo)作用的 因素將發(fā)生變化。比如靜電力、分子之間的相互作用力、空氣產(chǎn)生的阻尼力等，這些在宏觀中被忽略掉的因素將是影響微結(jié)構(gòu)性能的主要因素。因此在設(shè)計中也應(yīng)該把這些因素考慮在內(nèi)。在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要考慮的主要約束條件有： a.量程 具有一定的量程是設(shè)計加速度傳感器的主要目的。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料力學(xué)等來分析傳感器的最大測量范圍。 b.剛性約束條件 要求加速度計在慣性力的作用下，懸臂梁或者撓性軸的最大撓度應(yīng)小于材料所允許的最大相對撓度。 c.彈性約束條件

17、 要求懸臂梁或者撓性軸上的應(yīng)力不超過材料本身的許用應(yīng)力，以保證結(jié)構(gòu)工作在彈性范圍內(nèi)。 d.諧振頻率約束 加速度計相當(dāng)于一個低通濾波器，為了保證有足夠?qū)挼墓ぷ黝l率，希望加速度計的諧振頻率盡可能高些。但是，諧振頻率又不能太高，以保證有較高的靈敏度。因此，總是希望加速度計的諧振頻率在一定的范圍內(nèi)。 2. 彈性梁的選擇 彈性梁的設(shè)計在MEMS加速度計中是十分關(guān)鍵的一個部分，其結(jié)構(gòu)直接影響到傳感器的量程、分辨率、橫向靈敏度、抗高過載能力等參數(shù)(梁的基本結(jié)構(gòu)如表1所示 )。合理選擇梁的結(jié)構(gòu)類型，是設(shè)計中的關(guān)鍵。表2列出了不同彈性梁與質(zhì)量塊組合時的性能特點。 3. 過載保護結(jié)構(gòu)的設(shè)計

18、硅微彈性梁作為MEMS器件的基本組成部分，它的幾何尺寸和材料屬性會直接影響微 器件的工作性能、抗高過載能力，以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。高過載條件下微結(jié)構(gòu)的受力形式主要表現(xiàn)為慣性力，而慣性力作為外力作用在構(gòu)件上時，產(chǎn)生構(gòu)件內(nèi)力，且內(nèi)力會隨沖擊加速度的增加而增大，當(dāng)沖擊加速度達到某一限度時，就會導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)破壞。若要保證MEMS加速度計在高過載條件下不失效，則組成的 MEMS加速度計的微構(gòu)件必須滿足 ：足夠的抵抗破壞能力、足夠的抵抗變形能力和保持原有平衡狀態(tài)的能力。而這些要求均與材料的力學(xué)性能有關(guān)。材料的力學(xué)性能指標(biāo)主要包括 ：比例極限(彈性極限) σp、 屈服極限σs、強度極限(抗拉強度)σb、彈性模量E、

19、延伸率δ和斷面收縮率Ψ等。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，常采用止擋塊結(jié)構(gòu)來限制敏感質(zhì)量塊運動的最大位移。 2.3.2材料的選擇 MEMS加速度計用到的材料比較多，不同的部分很有可能采用不同的材料。例如用于做襯底的襯底材料，用于做掩膜的掩膜材料，用于表面微加工的犧牲層材料等等。微加速度計常用的材料有單晶硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、多晶硅等等，具體哪種材料用于哪一部分不是固定的，需要在設(shè)計過程中根據(jù)其物理化學(xué)性質(zhì)以及在加速度計中的作用加以綜合考慮。因為該傳感器動態(tài)要求比較高 ，因此在進行完結(jié)構(gòu)設(shè)計，得到結(jié)構(gòu)的尺 寸以后，進行有限元分析是必不可少的。運用有限元分析軟件ANSYS對加速度計模型進行分析，可以

20、得到下面的結(jié)果 ： (1)進行靜力分析，可以發(fā)現(xiàn)承受應(yīng)力最大的部位。 (2)進行模態(tài)分析，可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和各固有頻率下的振型。 (3)進行瞬態(tài)動力學(xué)分析，可以得到結(jié)構(gòu)對外界激勵的響應(yīng)。 通過以上有限元分析的結(jié)果，可以進一步改進設(shè)計，使所設(shè)計的加速度計具有更好的性能 。 2.3.3工藝的選擇 電容式MEMS加速度計的工藝一般采用的有：表面工藝、體硅工藝、LIGA工藝及 SOI+DRIE工藝等。如表 3對這幾種工藝進行了對比。 表面工藝是在集成電路平面工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種微工藝，只進行單面光刻。它利用硅平面上不同材料的順序淀積和選擇腐蝕來形成各種微結(jié)構(gòu)。主要包

21、括犧牲層淀積、犧牲層刻蝕、結(jié)構(gòu)層淀積、結(jié)構(gòu)層刻蝕、犧牲層去除(釋放結(jié)構(gòu))等。最后使結(jié)構(gòu)材料懸空于基片之上，形成各種形狀的二維或三維結(jié)構(gòu)。 體硅工藝是指沿著硅襯底的厚度方向?qū)枰r底進行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的重要方法。為了形成完整的微結(jié)構(gòu)，往往在加工的基礎(chǔ)上用到鍵合或粘接技術(shù)，將硅的鍵合技術(shù)和體硅加工方法結(jié)合起來。硅的微結(jié)構(gòu)經(jīng)過多次掩膜、單面或雙面光刻以及各向異性刻蝕等工藝而成，然后將有關(guān)部分精密對準(zhǔn)鍵合成一整體。體硅加工工藝過程比硅表面加工復(fù)雜，體積大，成本高。 SO1+DRIE工藝是體硅工藝的一種延伸與發(fā)展。利用絕緣體上硅(SOI)制造單晶硅三維微 結(jié)構(gòu)是最

22、近幾年發(fā)展異常迅速的方法。利用SOI制造微結(jié)構(gòu)的方法幾乎都是利用DINE(深反應(yīng)離子刻蝕)對單晶硅進行深刻蝕。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同、性能要求等可采用正面結(jié)構(gòu)釋放和背面結(jié)構(gòu)釋放。 2.3.4具體構(gòu)造及加工工藝 工藝過程中所選取的都是n-type（100）的，兩層鏡面的SOI硅晶層，處理層厚度800 25μm，設(shè)備層厚度為30μm，氧化層厚度為2μm，圖案化淹模要以<110>的晶向排列，前后面精度分別為1.5μm和3μm。濕法刻蝕的KOH濃度是40%，溫度保持在50度。具體步驟由圖二所示 電容式加速度傳感器制造過程 （a）確定上下極板間的電容間距 （b）用KOH對兩面的SiO2進行濕

23、法刻蝕 （c）等SiO2層被去除，新的氧化層會在兩面重新生成，繼續(xù)用KOH進行濕法刻蝕直到SiO2層被完全去除 （d）在兩面涂上光刻膠作為濕法刻蝕的梁結(jié)構(gòu) （e）去除光刻膠以后兩面重新被氧化生成SiO2，隨后再EVG-100覆蓋（f）利用剩下的光刻膠進行刻蝕然后移除光刻膠（g）等刻蝕完成，對稱梁結(jié)構(gòu)形成（h）利用對稱結(jié)構(gòu)確認(rèn)中間梁位置（i）上下兩層形成2μm的SiO2對稱氧化層來隔絕上中下三層（j）隨后通過梁結(jié)構(gòu)中間層與上下層連接（K）控制480度的粘接溫度隨后在1100度下保存一小時。 3 其他加速度傳感器 3.1 光波導(dǎo)加速度計 光波導(dǎo)加速度計的原理如下圖所示：光源從波導(dǎo)1進入

24、，經(jīng)過分束部分后分成兩部分分別通入波導(dǎo)4和波導(dǎo)2，進入波導(dǎo)4的一束直接被探測器2探測，而進入波導(dǎo)2的一束會經(jīng)過一段微小的間隙后進入波導(dǎo)3，最終被探測器1探測到。有加速度時，質(zhì)量塊會使得波導(dǎo)2彎曲，進而導(dǎo)至其與波導(dǎo)3的正對面積減小，使探測器1探測到的光減弱。通過比較兩個探測器檢測到的信號即可求得加速度。 3.2微諧振式加速度計 諧振式加速度計，Silicon Oscillating Accelerometer，簡稱SOA。 一根琴弦繃緊程度不同時彈奏出的聲音頻率也不同，諧振式加速度計的原理與此相同。振梁一端固定，另一端鏈接一質(zhì)量塊，當(dāng)振梁軸線方向有加速度時梁會受到軸線方向的力，梁中張力

25、變化，其固有頻率也相應(yīng)發(fā)生變化。若對梁施加一確定的激振，檢測其響應(yīng)就可測出其固有頻率，進而測出加速度。激振的施加和響應(yīng)的檢測通常都是通過梳齒機構(gòu)實現(xiàn)的。 SOA的特點在于，它是通過改變二階系統(tǒng)本身的特性來反映加速度的變化的，這區(qū)別與電容式、壓電式和光波導(dǎo)式的加速度計。 SOA常見的結(jié)構(gòu)有S結(jié)構(gòu)和雙端固定音叉（Double-ended Tuning Fork，DETF）兩種。S結(jié)構(gòu)原理圖如下圖所示，DEFT式就是在質(zhì)量塊的另一半加上和左邊對稱的一套機構(gòu)。DEFT是目前SOA的主流結(jié)構(gòu)。 3.3熱對流加速度計 熱對流加速度的原理與其他加速度計有根本上的區(qū)別，其他加速度計的原理都是建立在一個

26、二階系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，而熱對流加速度計采用的是完全不同的原理。 一個被放置在芯片中央的熱源在一個空腔中產(chǎn)生一個懸浮的熱氣團，同時由鋁和多晶硅組成的熱電偶組被等距離對稱地放置在熱源的四個方向。在未受到加速度或水平放置時，溫度的下降陡度是以熱源為中心完全對稱的。此時所有四個熱電偶組因感應(yīng)溫度而產(chǎn)生的電壓是相同的（見下圖）。由于自由對流熱場的傳遞性，任何方向的加速度都會擾亂熱場的輪廓，從而導(dǎo)致其不對稱。此時四個熱電偶組的輸出電壓會出現(xiàn)差異，而熱電偶組輸出電壓的差異是直接與所感應(yīng)的加速度成比例的。在加速度傳感器內(nèi)部有兩條完全相同的加速度信號傳輸路徑：一條是用于測量X軸上所感應(yīng)的加速度，另一條則用于測量

27、Y軸上所感應(yīng)的加速度。 由于熱對流加速度計中沒有可運動的質(zhì)量塊，所以其制造工藝相對簡單，也比較容易加工，而且其抗沖擊性能非常好，可抗五萬倍重力加速度的加速度。但環(huán)境溫度對熱對流加速度計的影響較大，而溫度變化會導(dǎo)致零點漂移；同時熱對流加速度計的頻響范圍低，通常是小于35Hz。 3.4壓電式加速度計 壓電式加速度計的數(shù)學(xué)和物理模型與壓阻式和電容式的加速度計類似，都是通過測量二階系統(tǒng)中質(zhì)量塊的位移來間接測量加速度，三者的差別就是在于測量這個質(zhì)量塊位移的方法。 壓電式加速度計利用了壓電效應(yīng)，或者更確切地說，是利用了正壓電效應(yīng)，即某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)

28、象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。通過測量壓電材料兩級的電勢差即可求得其形變壓電原理在宏觀尺度的加速度計中應(yīng)用頗為廣泛，這類加速度計的構(gòu)造多為基座和質(zhì)量塊之間夾一壓阻材料（如下圖）。 而MEMS壓電式加速度計采用的結(jié)構(gòu)與壓阻式微加速度計類似（如下圖），都是懸臂梁末端加質(zhì)量塊的震動系統(tǒng)，二者差別在于鍍在梁上的材料不同，壓電式加速度計自然只要鍍上壓電材料，而非壓阻材料。 4 加速度傳感器的應(yīng)用 4.1原理 加速傳感器能夠測量傳感器所承受的加速力。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力。人們在手機上經(jīng)?？吹降闹亓鞲衅鳎瑢嶋H就是加速傳感器的一種?，F(xiàn)代加速傳感器有

29、單軸、兩軸、三軸之分。手機上常見的是電容式芯片三軸加速傳感器，主要由雙芯片構(gòu)成，即重力測量單元和控制電路單元。在每個方向上，封裝部分內(nèi)有一小塊可移動的電極板和兩塊不可移動的電極板， 當(dāng)可移動電極板受到加速作用時，會產(chǎn)生慣性力，從而影響與左右兩個不可移動電極板的間隔，使得電容值改變，促進電容電壓值的變化，以此可以計算出加速度。 4.2 功能 手機通過加速傳感器能夠?qū)崟r的獲得手機的移動狀態(tài)，其最初的用途是用來檢測手機是豎放還是橫放，從而決定是橫屏顯示還是豎屏顯示。隨著三軸加速器普及，手機能夠識別橫放豎放，正面橫放、背面橫放，正面豎放、背面豎放狀態(tài)，從而可以實現(xiàn)搖晃手機操作，翻轉(zhuǎn)靜音功能等；

30、加速傳感器另一個重大用處就是利用手機搖晃來玩游戲，其加速值大小能夠在游戲中得到充分表現(xiàn)，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)游戲手柄。 參 考 文 獻 [1] YUFIN S A. Geoecology and computers：proceedings of the Third International Conference on Advances of Computer Methods in Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Moscow, Russia, February 1-4,2000[C].Rotterdam：A. A. Balkema,2000. [2] 昂溫 G，昂溫 P S.外國出版史[M].陳生錚，譯.北京：中國書籍出版社，1988. [3] 全國文獻工作標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會第七分委員會.GB/T 5795-1986 中國標(biāo)準(zhǔn)書號[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1986.