π 形梁厚膜压阻式加速度传感器研究与设计＊

杨 熹，任忠原，马长宝，姚子龙

(华天传感器有限公司，甘肃 天水 741000)

0 引言

加速度传感器作为一种惯性器件在汽车、电子、机械领域的振动和冲击测量，轮船、飞机和航天器的导航，以及石油探测和地震预报的振动测试等领域有着广泛的应用.利用厚膜工艺加工制作的加速度传感器具有成本低、体积小、重量轻、性能稳定可靠等优点，因而具有广阔的市场应用前景.目前，厚膜加速度传感器具有线性度好、易于小型化、频响特性好、直接输出电压信号、接口电路简单、加工工艺简单、与厚膜工艺兼容性好等优点，正在被用户认识和接受.

压阻式加速度传感器的典型结构形式有很多种，如悬臂梁、双臂梁、四梁等.悬臂梁结构具有灵敏度高、体积小、易加工等优点，本课题采用π 型悬臂梁结构制作厚膜加速度传感器.

1 传感器工作原理和结构设计

1.1 工作原理

压阻式厚膜加速度传感器是基于厚膜电阻的压阻效应.当有加速度作用于质量块时，由于惯性力作用使得质量块发生位移，从而引起梁发生变形，梁的变形引起梁上应力的变化，进而引起电阻的改变，因而通过测量由梁上电阻组成的惠斯通电桥的输出便可测出加速度值的大小.

Vin为电桥激励电压，一般情况下4 个厚膜电阻的初始值相等，即R1=R3=R2=R4，此时电桥平衡，输出电压V0为零.若将4 个电阻在π 形梁两端布置，当梁受到外界压力作用时，一对电阻受拉而另一对电阻受压，例如R1，R3受拉而R2，R4受压时，ε1，ε3为正，ε2，ε4为负，此时电桥失去平衡，ε1－ε2+ε3－ε4的绝对值达到最大，从而得到尽量大的输出电压［1］.

本设计选择在1 mm 厚的陶瓷梁上印刷制作钌酸盐电阻构成惠斯通电桥，电阻值设计为10 kΩ.

1.2 结构设计

压阻式加速度传感器的典型结构形式有很多种，已有悬臂梁、双臂梁、四梁等，弹性元件的结构形式及尺寸决定传感器的灵敏度、频响、量程等.压阻式加速度传感器的弹性元件采用陶瓷梁外加质量块，质量块由悬臂梁支撑，并在悬臂梁上制作电阻，连接成测量电桥，在惯性力作用下质量块上下运动，悬臂梁上电阻的阻值随应力的作用发生变化，引起测量电桥输出电压变化，以此实现对加速度的测量.质量块能够在较小的加速度作用下使得悬臂梁上的应力较大，提高传感器的输出灵敏度.在大加速度下，质量块的作用可能会使悬臂梁上的应力超过屈服应力，变形过大，致使悬臂梁断裂.为此，高g 值加速度拟采用质量块和梁宽相等的单臂梁结构形式［2］.

如图1(a)所示，所研制的加速度传感器是一端固支的π 形悬臂梁结构，梁表面为惠斯通电桥，如图1(b)所示.

图1 加速度传感器结构示意图

本设计中采用如下参数:梁长f=9 mm，梁宽bl=6 mm，梁厚h1=0.2 mm，质量块边长A=6 mm，质量块厚H=1 mm.因而由式(1)知，在电压源采用12 V 供电时，电阻灵敏度系数取3，则加速度传感器输出电压为V0=0.002 4 mV·s2/m.

2 加速度传感器的制造工艺

2.1 制造工艺流程图

制造工艺流程图如图2 所示.

图2 制造工艺流程图

2.2 制造工艺

在厚膜加速度传感器技术设计中，为了获得最理想的外形尺寸和物理性能，本文所介绍的传感器结构采用含氧化铝96%的陶瓷基片.传感器的制造工艺包括制版、印刷、烧结、梁加工成型、激光调阻、装配、键合等工艺.成膜在850 ℃烧结温度下完成，使用的成膜工艺为厚膜混合集成电路常用工艺.电阻及导带上印刷烧结玻璃绝缘层，以增加成膜的稳定性.传感器能否达到设计要求，完全依赖于应变电阻在基片上的正确位置.因此，要想将误差控制到最低值并确保电阻和应变灵敏度系数值具有良好的重复性，在丝网印刷工艺中就必须用精准的设备及训练有素的员工来保证［3］.

π 形梁用陶瓷基片采用激光划片成型，达到设计的尺寸.

梁表面惠斯通电桥的制作，采用银钯浆料印刷导带，10 kΩ/□(□为方块电阻)的RuO2电阻浆料印刷电阻，厚膜烧结工艺烧结成膜，形成测量电桥.

π 形梁的加工成型采用2 种工艺制作:1)采用激光刻蚀陶瓷基片形成π 形槽;2)采用金刚石砂轮在高精密磨床上精磨形成π 形槽.梁的宽度为3 mm，厚度为1 mm，π 形部分经加工控制在0.2 mm.

π 形陶瓷梁采用低温玻璃烧结在基座上.

加速度传感器采用甲基硅油阻尼，浅腔式外壳异型封帽机气密性封装.封装结构示意图如图3.

利用自有衰减法测量得到器件的阻尼比为0.078.器件的阻尼比是材料、结构和甲基硅油的阻尼比之和，由于甲基硅油的阻尼比较大，π 形梁质量在甲基硅油环境中受到冲击会形成阻尼振动.π 形梁的振动会因阻尼衰减而尽快达到平衡，利于加速度的更准确动态测量.

图3 厚膜加速度传感器封装结构示意图

3 加速度传感器的测试

3.1 谐振频率理论计算

谐振频率的计算公式为

其中:E 为材料的弹性模量;I 为转动惯量;ρ 为密度;S为梁的横截面积;L 为梁的长度.代入数值计算得到，悬臂梁的谐振频率f 理论值为:1.36 kHz.

3.2 参数测试

高g 值厚膜加速度传感器的灵敏度较低，在小加速度下输出电压信号很小，只有进行冲击试验才能检验其性能.常温下加速度传感器的动态特性使用高加速冲击台来测量，将标准传感器和被标定传感器同时固定在马希特击锤的锤头上，对加速度传感器样品在不同的齿数下进行冲击测试［4］.

在测试时采用12 V 供电，测得加速度与输出电压关系如图4 所示.加速度传感器冲击测试范围为0～15 000 m/s2，具体见表1.过载试验可达到30 000 m/s2而不失效.同时，采用可触发存储示波器记录在加速度传感器冲击瞬间到第1 个波形结束时间的完整输出波形，在存储示波器上测量第1 个输出波形的周期，得到其响应频率为1.29 kHz.

图4 加速度传感器输出电压与加速度的关系曲线

表1 0～15 000 m/s2 加速度传感器动态测试结果 mV

从测试结果可以看出，本厚膜压阻式加速度传感器在整个量程范围内具有良好的线性度;理论计算出谐振频率与实际测量频率接近.

4 结论

介绍了一种新型的基于陶瓷基片加工工艺的π 形梁15 000 m/s2厚膜压阻式加速度传感器.在加工过程中采用厚膜工艺与梁加工成型工艺，从而保证了梁结构的完整性.分析了该传感器的结构参数和灵敏度，同时介绍了它的工艺流程，以及封装后的测试结果.基片尺寸为15 mm ×6 mm ×1 mm，其中敏感质量块尺寸为6 m×6 mm×1 mm，梁尺寸为3 mm×6 mm×0.3 mm.经初步测试，在采用12 V 电源供电时灵敏度为0.002 4 mVs2/m 左右，响应频率为1.29 kHz.该加速度传感器以其耐用性和低廉的价格为电力机车高压线路检测和工业测量提供了更为广泛的应用.

［1］易选强，苑伟政，马炳和，等.压阻式微型压力传感器敏感结构设计［J］.西北工业大学学报，2008，26(6):782-786.

［2］张建碧.基于MEMS 的硅微压阻式加速度传感器设计［J］.电子与封装，2009，9(10):39-41.

［3］Crescini D，于梅.用于力和振动测量的压阻式厚膜传感器［J］.现代计量测试，1996(1):61-63.

［4］高廷金，熊斌.新型L 形梁压阻微加速度传感器［J］.半导体技术，2009，34(12):1177-1180.