1、第第10章章 加速度加速度(G)传感器传感器10.1 加速度传感器工作原理概述加速度传感器工作原理概述10.2 钢球式加速度传感器钢球式加速度传感器10.3 半导体加速度传感器半导体加速度传感器10.4 高精度高可靠性高精度高可靠性MEMS加速度传感器加速度传感器10.1 加速度传感器工作原理概述加速度传感器工作原理概述10.1.1“滑翔机牌滑翔机牌”车气囊用加速度传感车气囊用加速度传感器器 包括包括“滑翔机牌滑翔机牌”车在内的丰田车多数都将三种车在内的丰田车多数都将三种G传感器组传感器组合起来用作气囊传感器，这三种传感器是合起来用作气囊传感器，这三种传感器是:前气囊传感器、中前气囊传感器、中
2、央气囊传感器及辅助传感器。前气囊传感器是由壳体、偏心央气囊传感器及辅助传感器。前气囊传感器是由壳体、偏心锤、固定触头及旋转触头构成锤、固定触头及旋转触头构成.下一页返回10.1 加速度传感器工作原理概述加速度传感器工作原理概述 偏心锤式加速度传感器的工作原理偏心锤式加速度传感器的工作原理:因旋转触头与偏心转子是因旋转触头与偏心转子是一个整体式结构，在弹簧预压力的作用下，偏心转子和偏心一个整体式结构，在弹簧预压力的作用下，偏心转子和偏心锤都靠在挡块上，挡块与外壳也是一个整体结构，固定触头锤都靠在挡块上，挡块与外壳也是一个整体结构，固定触头与旋转触头处于断开状态。但当受到冲击有减速度加到传感与旋转
3、触头处于断开状态。但当受到冲击有减速度加到传感器上时，与偏心转子为一体的旋转触头旋转，并与固定触头器上时，与偏心转子为一体的旋转触头旋转，并与固定触头连通，输出连通，输出ON信号信号.辅助传感器的结构与前安全气囊用传感器的结构相同。辅助传感器的结构与前安全气囊用传感器的结构相同。上一页返回下一页10.1 加速度传感器工作原理概述加速度传感器工作原理概述 另一个传感器是中央安全气囊传感器，它所采用的是内装于另一个传感器是中央安全气囊传感器，它所采用的是内装于微机中、长期可得到稳定工作特性的半导体型微机中、长期可得到稳定工作特性的半导体型G传感器。其传感器。其结构采用的为悬臂支撑方式。通过测量碰撞
4、形成的测量元件结构采用的为悬臂支撑方式。通过测量碰撞形成的测量元件的应变，再将其转换成电信号，这种传感器的特点是的应变，再将其转换成电信号，这种传感器的特点是:对减速对减速具有线性输出特性，超过预先所设定的数值时，则输出具有线性输出特性，超过预先所设定的数值时，则输出ON信号信号.上一页返回下一页10.1 加速度传感器工作原理概述加速度传感器工作原理概述10.1.2“塞普达塞普达”车安全气囊用传感器车安全气囊用传感器 “塞普达塞普达”车与车与“滑翔机牌滑翔机牌”采用同样的安全气囊，但所用采用同样的安全气囊，但所用传感器不同，传感器不同，“塞普达塞普达”车用前安全气囊传感器的结构称为车用前安全气
5、囊传感器的结构称为滚轴式传感器，它是由滚柱、片簧及挡销等构成的，其中滚滚轴式传感器，它是由滚柱、片簧及挡销等构成的，其中滚柱和旋转触头制为一个合件，片簧和固定触点制为一个合件柱和旋转触头制为一个合件，片簧和固定触点制为一个合件.在传感器不起作用时，在片簧预加载荷的作用下，滚柱靠在在传感器不起作用时，在片簧预加载荷的作用下，滚柱靠在挡销上，固定触头与旋转触头处于断开状态。当加有冲击时，挡销上，固定触头与旋转触头处于断开状态。当加有冲击时，在惯性力的作用下，滚柱转动，与滚柱成为合件的旋转触头在惯性力的作用下，滚柱转动，与滚柱成为合件的旋转触头移动，当其与固定触头接触时，对外输出移动，当其与固定触头
6、接触时，对外输出ON信号。信号。上一页返回下一页10.1 加速度传感器工作原理概述加速度传感器工作原理概述10.1.3“花冠花冠”车安全气囊用传感器车安全气囊用传感器 与丰田公司其他车型不同，与丰田公司其他车型不同，“花冠花冠”车安全气囊的传感器均车安全气囊的传感器均为机械式为机械式.在传感器未动作时，触发轴与点火销是靠在一起的，点火销在传感器未动作时，触发轴与点火销是靠在一起的，点火销不是处于弹出状态。不是处于弹出状态。因碰撞、减速度增加、惯性力高于偏置弹簧的弹力及阻尼力因碰撞、减速度增加、惯性力高于偏置弹簧的弹力及阻尼力时，钢球开始移动，阻尼力是指在钢球与球套之间存在着气时，钢球开始移动，
7、阻尼力是指在钢球与球套之间存在着气隙的气流形成的阻力。在减速度继续升高时，钢球使触发轴隙的气流形成的阻力。在减速度继续升高时，钢球使触发轴转动，点火销与触发轴之间脱开配合。此时，在点火弹簧弹转动，点火销与触发轴之间脱开配合。此时，在点火弹簧弹力的作用下，点火销弹出，使气体发生器内的点火剂点火。力的作用下，点火销弹出，使气体发生器内的点火剂点火。上一页返回下一页10.1 加速度传感器工作原理概述加速度传感器工作原理概述10.1.4“森铁阿森铁阿”牌车安全气囊用传感器牌车安全气囊用传感器 “森铁阿森铁阿”牌车安全气囊用传感器分为两种，即车前方的加牌车安全气囊用传感器分为两种，即车前方的加速度传感器
8、和辅助传感器。速度传感器和辅助传感器。加速度传感器的结构是由测量减速度的传感球，将传感球保加速度传感器的结构是由测量减速度的传感球，将传感球保持到某加速度为止的永磁铁，对传感球运动提供空气阻尼器持到某加速度为止的永磁铁，对传感球运动提供空气阻尼器作用的导缸及二极端子构成的。作用的导缸及二极端子构成的。上一页返回下一页10.1 加速度传感器工作原理概述加速度传感器工作原理概述 传感器不动作时，在永久磁铁磁力的作用下，传感球被吸引，传感器不动作时，在永久磁铁磁力的作用下，传感球被吸引，维持于传感器的后部，因此触头之间处于开路状态即维持于传感器的后部，因此触头之间处于开路状态即OFF状状态。态。当碰
9、撞后，有相当大的惯性力作用到加速度传感器上时，传当碰撞后，有相当大的惯性力作用到加速度传感器上时，传感球克服了永久磁铁的磁力，脱开永久磁铁的吸引，滚向前感球克服了永久磁铁的磁力，脱开永久磁铁的吸引，滚向前方，因此，触点之间处于闭合状态，输出方，因此，触点之间处于闭合状态，输出ON信号信号.上一页返回下一页10.1 加速度传感器工作原理概述加速度传感器工作原理概述10.1.5“西维克西维克”牌车安全气囊用传感器牌车安全气囊用传感器 西维克牌车安全气囊用传感器分主传感器和辅助传感器两种，西维克牌车安全气囊用传感器分主传感器和辅助传感器两种，前者为气体阻尼型，后者为笛簧开关型，这两种传感器均内前者为
10、气体阻尼型，后者为笛簧开关型，这两种传感器均内装于转向器轿车辅助保护系统装于转向器轿车辅助保护系统(SRS)中。中。主传感器的本体内装于封有惰性气体的金属壳中，且采用了主传感器的本体内装于封有惰性气体的金属壳中，且采用了耐久性非常好的镀金触头。主传感器的工作原理耐久性非常好的镀金触头。主传感器的工作原理:当前方受到当前方受到强烈冲击时，在克服了弹簧弹力与阻尼力后，在惯性力的作强烈冲击时，在克服了弹簧弹力与阻尼力后，在惯性力的作用下，重块即动触头滑动，与触头接触，传感器有用下，重块即动触头滑动，与触头接触，传感器有ON信号信号输出。输出。上一页返回下一页10.1 加速度传感器工作原理概述加速度传
11、感器工作原理概述 辅助传感器为笛簧开关型，玻璃管内充入了惰性气体，触点辅助传感器为笛簧开关型，玻璃管内充入了惰性气体，触点采用了镀金与镀锗工艺。采用了镀金与镀锗工艺。当传感器受到前方的强烈冲击，动作时，在惯性力作用下，当传感器受到前方的强烈冲击，动作时，在惯性力作用下，永久磁铁滑动、笛簧开关闭合永久磁铁滑动、笛簧开关闭合(ON)。上一页返回下一页10.1 加速度传感器工作原理概述加速度传感器工作原理概述10.1.6“陆地巡洋舰陆地巡洋舰”牌车牌车ABS用加速度用加速度传感器传感器 普通简称为普通简称为4WD车的就是四轮驱动车，有时车的就是四轮驱动车，有时4个车轮大致是个车轮大致是同相位减速的，
12、特别是在低同相位减速的，特别是在低道路上，这种趋向更加显著，道路上，这种趋向更加显著，因而这种因而这种ABS控制是不可靠的，所以采用了控制是不可靠的，所以采用了G传感器，视道传感器，视道路状态是高路状态是高或是低或是低，改变运算方法，这才是可靠的，改变运算方法，这才是可靠的ABA系统系统.上一页返回下一页10.1 加速度传感器工作原理概述加速度传感器工作原理概述 “陆地巡洋舰陆地巡洋舰”牌车的牌车的G传感器是由两组发光二极管、光敏三传感器是由两组发光二极管、光敏三极管、信号板及变换电路构成的极管、信号板及变换电路构成的.当减速度加到车身上时，由减速度所产生的惯性力使信号板当减速度加到车身上时，
13、由减速度所产生的惯性力使信号板旋转，由发光二极管至光敏三极管的光通路或者畅通、或者旋转，由发光二极管至光敏三极管的光通路或者畅通、或者被隔断，由此光敏三极管或导通被隔断，由此光敏三极管或导通(ONE、或截止、或截止(OFF).本节介绍的传感器上有两套发光二极管与光敏三极管，根据本节介绍的传感器上有两套发光二极管与光敏三极管，根据各自的光敏三极管的各自的光敏三极管的ON与与OFF的组合，可以将减速度分为的组合，可以将减速度分为三个档次来检测。三个档次来检测。上一页返回下一页10.1 加速度传感器工作原理概述加速度传感器工作原理概述10.1.7“帕杰罗帕杰罗”牌车牌车ABS用用G传感器传感器 “帕
14、杰罗帕杰罗”牌车牌车CBS采用了检测位移量的差动变压器型传感采用了检测位移量的差动变压器型传感器作为器作为G传感器，传感器内设有向激磁线圈供给交流电的振传感器，传感器内设有向激磁线圈供给交流电的振荡电路及检测线圈整流电路用的控制电路。此外，为了防止荡电路及检测线圈整流电路用的控制电路。此外，为了防止差动变压器中可动线圈的振动，在差动变压器中可动线圈的振动，在G传感器内密封有硅油。传感器内密封有硅油。上一页返回下一页10.1 加速度传感器工作原理概述加速度传感器工作原理概述 利用差动变压器检测位移的工作原理如下所述利用差动变压器检测位移的工作原理如下所述:输出电压相同输出电压相同但极性相反的两组
15、线圈串联，且铁芯处于中间位置时，次级但极性相反的两组线圈串联，且铁芯处于中间位置时，次级绕组所感应的交流电压相等绕组所感应的交流电压相等;当两个次级绕组的波形相位相反当两个次级绕组的波形相位相反时，其输出电压为零时，其输出电压为零;当减速度加在传感器上，铁芯偏离中间当减速度加在传感器上，铁芯偏离中间位置时，两个次级绕组上的感应电压不同，放大器上就会产位置时，两个次级绕组上的感应电压不同，放大器上就会产生与其差值成正比的交流电压。利用这一现象，通过将铁芯生与其差值成正比的交流电压。利用这一现象，通过将铁芯的位移量变换成正、负直流电压值，就可知道铁芯的位移的位移量变换成正、负直流电压值，就可知道铁
16、芯的位移(即即加速度的大小加速度的大小)。上一页返回下一页10.1 加速度传感器工作原理概述加速度传感器工作原理概述10.1.8“希玛希玛”4WD车用车用G传感器传感器 希玛希玛4WD车具有牵引力控制、车具有牵引力控制、ABS功能，因此车上设置了功能，因此车上设置了检测车辆前、后加速度的传感器及检测横向加速度的横检测车辆前、后加速度的传感器及检测横向加速度的横G传传感器。感器。树脂外壳内充满了硅油，永久磁铁置于中间，当车辆加、减树脂外壳内充满了硅油，永久磁铁置于中间，当车辆加、减速时，形成了永久磁铁的位移，此位移通过霍尔元件变换成速时，形成了永久磁铁的位移，此位移通过霍尔元件变换成电信号，再输
17、入到控制组件中。电信号，再输入到控制组件中。上一页返回下一页10.1 加速度传感器工作原理概述加速度传感器工作原理概述10.1.9“蓝鸟蓝鸟”4WD车车ABS用用G传感器传感器 “蓝鸟蓝鸟”4WD车车ABS用用G传感器，在玻璃管中充入了水银，传感器，在玻璃管中充入了水银，在减速度比较小时在减速度比较小时(在低在低路上制动时路上制动时)，因为水银不移动，因为水银不移动，所以电路仍保持闭合所以电路仍保持闭合;对行车的前进方向来说，在减速度比较对行车的前进方向来说，在减速度比较大的场合下大的场合下(在高在高道路上制动时道路上制动时)，在惯性力的作用下，水，在惯性力的作用下，水银移动，电路处于断开银移
18、动，电路处于断开(OFF)状态，由此就可以判别出是较状态，由此就可以判别出是较小减速小减速(低低路路)还是较大减速还是较大减速(高高路路)，并将其信号输入到，并将其信号输入到控制组件中去。控制组件中去。上一页返回10.2 钢球式加速度传感器钢球式加速度传感器10.2.1车用加速度传感器的规格车用加速度传感器的规格 (1)加速度的检测范围。在一般行车状况下，急停车时车身加速度的检测范围。在一般行车状况下，急停车时车身前后方向的加速度小于前后方向的加速度小于0.5g。车辆前后方向能够产生的最大。车辆前后方向能够产生的最大加速度是加速度是1.1g横向最大加速是横向最大加速是0.8g，上下方向最大加速
19、度，上下方向最大加速度是是2g，根据这些数据可以看出，加速度的检测范围达，根据这些数据可以看出，加速度的检测范围达-1.5+1.5 就够了。就够了。关于传感器的频率范围，使人感到不舒服的主要频率范围是关于传感器的频率范围，使人感到不舒服的主要频率范围是到到7Hz为止，因此一般要求到为止，因此一般要求到10Hz为止的范围增益、相位为止的范围增益、相位都应该为平坦特性。都应该为平坦特性。返回下一页10.2 钢球式加速度传感器钢球式加速度传感器 (2)基本输出特性。基本输出特性是指规定加到传感器上的基本输出特性。基本输出特性是指规定加到传感器上的加速度与输出电压之间的关系。从车辆上已普及的电路元件、
20、加速度与输出电压之间的关系。从车辆上已普及的电路元件、电路的构成来考虑，用电路的构成来考虑，用+5v单电源驱动的单电源驱动的A/D变换器比较合变换器比较合适，所以，一般对输出特性规定适，所以，一般对输出特性规定:有效利用区域为有效利用区域为05V.上一页返回下一页10.2 钢球式加速度传感器钢球式加速度传感器(3)各项基本特性。加速度传感器性能的主要项目及其内容如各项基本特性。加速度传感器性能的主要项目及其内容如下所述。下所述。非线性特性。非线性特性。灵敏度偏差。灵敏度偏差。垂直轴灵敏度。垂直轴灵敏度。温度漂移。温度漂移。频率特性。频率特性。上一页返回下一页10.2 钢球式加速度传感器钢球式加
21、速度传感器 (4)可靠性。对车辆来说，可靠性项目中特别重要的有以下可靠性。对车辆来说，可靠性项目中特别重要的有以下3点。点。耐跌落性。耐跌落性。高温性能。高温性能。抗干扰性能。抗干扰性能。上一页返回下一页10.2 钢球式加速度传感器钢球式加速度传感器10.2.2钢球式加速度传感器的结构与检测钢球式加速度传感器的结构与检测原理原理 传感器由加速度检测部分和检测电路组成，它们被集中在传感器由加速度检测部分和检测电路组成，它们被集中在30.5mmx32mmx36mm的外壳内，下面以此传感器的特点的外壳内，下面以此传感器的特点为中心，对其结构、检测原理加以说明。为中心，对其结构、检测原理加以说明。上一
22、页返回下一页10.2 钢球式加速度传感器钢球式加速度传感器 (1)检测部分的结构。传感器的剖面图如检测部分的结构。传感器的剖面图如图图10一一1所示，传所示，传感器的检测部分是由钢球、一对永久磁铁、差动变压器线圈感器的检测部分是由钢球、一对永久磁铁、差动变压器线圈及扼铁构成，利用一对永久磁铁支撑的钢球按照球套的轴向及扼铁构成，利用一对永久磁铁支撑的钢球按照球套的轴向加速度改变位置，利用线圈将钢球位置的变化检测出来，并加速度改变位置，利用线圈将钢球位置的变化检测出来，并以此作为测得的加速度。此外，从减小体积而又有较大磁引以此作为测得的加速度。此外，从减小体积而又有较大磁引力以及耐久性力以及耐久性
23、(长时间使用后变得老化长时间使用后变得老化)的角度采用了衫钻系的角度采用了衫钻系列的稀土类永久磁铁列的稀土类永久磁铁.上一页返回下一页10.2 钢球式加速度传感器钢球式加速度传感器 (2)钢球的磁场力支撑。钢球式加速度传感器的本质特征可钢球的磁场力支撑。钢球式加速度传感器的本质特征可以说是惯性质量以说是惯性质量(钢球钢球)的磁场支撑。的磁场支撑。线圈骨架的轴向磁场力。线圈骨架的轴向磁场力。骨架轴与垂直方向的磁场力。骨架轴与垂直方向的磁场力。上一页返回下一页10.2 钢球式加速度传感器钢球式加速度传感器 (3)差动变压器。差动变压器的原理如差动变压器。差动变压器的原理如图图10-2所示。差动变所
24、示。差动变压器是由激磁方的初级绕组与检测方的次级绕组组成的，因压器是由激磁方的初级绕组与检测方的次级绕组组成的，因次级绕组的连接极性不同，所以其两端形成了差动输出，与次级绕组的连接极性不同，所以其两端形成了差动输出，与次级绕组交链的磁通随钢球位置而变化，由此可以检测出钢次级绕组交链的磁通随钢球位置而变化，由此可以检测出钢球位置与移动方向。球位置与移动方向。上一页返回下一页10.2 钢球式加速度传感器钢球式加速度传感器 (4)检测电路。检测电路的方框图如检测电路。检测电路的方框图如图图10一一3所示，检测电所示，检测电路应用了可减小传感器体积的表面封装技术，而且采用专用路应用了可减小传感器体积的
25、表面封装技术，而且采用专用的集成电路片，其上包括了大部分的电子元件，因采取了这的集成电路片，其上包括了大部分的电子元件，因采取了这两项措施，线路板的尺寸可减少到两项措施，线路板的尺寸可减少到29mm x29mm。基准电压电路。基准电压电路。振荡电路。振荡电路。AC放大电路。放大电路。同步整流电路。同步整流电路。输出信号的滤波电路。输出信号的滤波电路。上一页返回下一页10.2 钢球式加速度传感器钢球式加速度传感器10.2.3钢球式加速度传感器的外形钢球式加速度传感器的外形 钢球式加速度传感器的外形如钢球式加速度传感器的外形如图图10-4所示，实际装车时，所示，实际装车时，有些车型是通过盖子固定的
26、。有些车型是通过盖子固定的。车的横向用、前后用与上下方向用传感器仅是安装方向的不车的横向用、前后用与上下方向用传感器仅是安装方向的不同，基本方面并无差别，但传感器内部的调整同，基本方面并无差别，但传感器内部的调整(电路的调整等电路的调整等)有一定区别。有一定区别。上一页返回下一页10.2 钢球式加速度传感器钢球式加速度传感器10.2.4钢球式加速度传感器的性能与可靠钢球式加速度传感器的性能与可靠性性 (1)传感器的性能。传感器的各项性能见传感器的性能。传感器的各项性能见表表10一一1。从使产品更加完善的角度概括说明下列几点。从使产品更加完善的角度概括说明下列几点。滞后。滞后。关于温度漂移。关于
27、温度漂移。(2)可靠性。为使产品更加完善，对需注意的两点稍加说明可靠性。为使产品更加完善，对需注意的两点稍加说明 抗干扰性能。抗干扰性能。耐热冲击性能。耐热冲击性能。上一页 返回10.3 半导体加速度传感器半导体加速度传感器10.3.1半导体加速度传感器的基本结构与半导体加速度传感器的基本结构与工作原理工作原理 本节介绍的传感器是用于汽车防抱死制动系统的半导体加速本节介绍的传感器是用于汽车防抱死制动系统的半导体加速度传感器。它采用的是塑料外壳，另外设有传感元件，混合度传感器。它采用的是塑料外壳，另外设有传感元件，混合集成电路以及防干扰滤波器集成电路以及防干扰滤波器(EMI滤波器滤波器)等。混合
28、集成电路等。混合集成电路块上设有低温偏置漂移型倒装式运算放大器。传感元件的结块上设有低温偏置漂移型倒装式运算放大器。传感元件的结构如构如图图10一一5所示。加速度检测部分的硅片如所示。加速度检测部分的硅片如图图10一一6(a)所示，加速度检测部分的等效电路如所示，加速度检测部分的等效电路如图图10一一6(b)所示。所示。返回下一页10.3 半导体加速度传感器半导体加速度传感器 因为要将加速度形成的惯性力变换成位移因为要将加速度形成的惯性力变换成位移(应变应变)，将半导体，将半导体硅片制成悬臂梁结构，为提高灵敏度将硅片固定端附近的一硅片制成悬臂梁结构，为提高灵敏度将硅片固定端附近的一部分作等方向
29、腐蚀，减薄其厚度的同时，在其自由端附加有部分作等方向腐蚀，减薄其厚度的同时，在其自由端附加有配重。在已被腐蚀的薄层上面，为了检测应变，同时考虑到配重。在已被腐蚀的薄层上面，为了检测应变，同时考虑到结晶方向，配置了结晶方向，配置了4个具有压电效应的应变片，配线状况，个具有压电效应的应变片，配线状况，保证它们连接成桥式电路，根据惯性力所形成的应变，压电保证它们连接成桥式电路，根据惯性力所形成的应变，压电电阻的阻值发生变化，利用桥式电路将这种阻值的变化以电电阻的阻值发生变化，利用桥式电路将这种阻值的变化以电压变化形式检测出来。此外为调整传感器的动态特性，在金压变化形式检测出来。此外为调整传感器的动态
30、特性，在金属壳内封入有硅油，传感元件结构的模型图如属壳内封入有硅油，传感元件结构的模型图如图图10-7所示。所示。上一页返回下一页10.3 半导体加速度传感器半导体加速度传感器10.3.2频率特性频率特性 加速度传感器的频率特性取决于下式所示振动系统中的元件加速度传感器的频率特性取决于下式所示振动系统中的元件共振频率共振频率fn与衰减系数与衰减系数，应注意到，在应检测的加速度信号，应注意到，在应检测的加速度信号频率范围及温度环境下，增益特性与相位特性应是平顶的。频率范围及温度环境下，增益特性与相位特性应是平顶的。式中，式中，m为振动系统质量为振动系统质量;k为振动系统弹簧常数为振动系统弹簧常数
31、;为阻尼系为阻尼系数。数。上一页返回下一页2/2/2/12/1mkfmkn10.3 半导体加速度传感器半导体加速度传感器10.3.3信号放大与温度补偿电路信号放大与温度补偿电路 (1)电路的构成。传感元件的灵敏度较低，输出信号的大小电路的构成。传感元件的灵敏度较低，输出信号的大小与温度有很大关系，所以需要有放大电路、温度补偿电路。与温度有很大关系，所以需要有放大电路、温度补偿电路。加速度传感器所用的电路如加速度传感器所用的电路如图图10一一8所示。此电路中所用的所示。此电路中所用的运算放大器，是专为加速度传感器设计的，所以输入偏置电运算放大器，是专为加速度传感器设计的，所以输入偏置电压的温度偏
32、移非常小，属于四级型运算放大器。后面要讲到，压的温度偏移非常小，属于四级型运算放大器。后面要讲到，修正偏置及灵敏度温度特性的部件为一具有线性温度系数的修正偏置及灵敏度温度特性的部件为一具有线性温度系数的P型半导体电阻，该半导体与运算放大器都集成于单片式集型半导体电阻，该半导体与运算放大器都集成于单片式集成电路上。混合集成电路就是由单片集成电路、厚膜电阻及成电路上。混合集成电路就是由单片集成电路、厚膜电阻及陶瓷电容器构成的。陶瓷电容器构成的。上一页返回下一页10.3 半导体加速度传感器半导体加速度传感器 (2)温度补偿方法。温度补偿电路担负传感元件偏置温度特温度补偿方法。温度补偿电路担负传感元件
33、偏置温度特性的补偿及灵敏度的温度特性补偿作用。灵敏度温度特性的性的补偿及灵敏度的温度特性补偿作用。灵敏度温度特性的补偿方式与半导体压力传感器采用的方式是一样的。补偿方式与半导体压力传感器采用的方式是一样的。加速度传感器采用具有新偏置温度特性的补偿电路，这种温加速度传感器采用具有新偏置温度特性的补偿电路，这种温度特性的补偿电路如度特性的补偿电路如图图10一一9所示所示.上一页返回下一页10.3 半导体加速度传感器半导体加速度传感器 采用旧温度补偿方式与本节所述温度补偿方式后的误差比较采用旧温度补偿方式与本节所述温度补偿方式后的误差比较如如图图10一一10所示。如前所述，采用旧的温度补偿方式时，所
34、示。如前所述，采用旧的温度补偿方式时，与测量电阻的平方关系温度系数相关的补偿误差与无补偿时与测量电阻的平方关系温度系数相关的补偿误差与无补偿时的温度特性的二次方有关系的成分合计起来剩余的温度特性的二次方有关系的成分合计起来剩余23%，但，但采用新补偿方式时，这些都得到了补偿，补偿误差约降低到采用新补偿方式时，这些都得到了补偿，补偿误差约降低到2%。上一页返回下一页10.3 半导体加速度传感器半导体加速度传感器10.3.4加速度传感器的各项特性加速度传感器的各项特性 加速度传感器的各项特性加速度传感器的各项特性(典型值典型值)见见表表10一一2。通过设置高。通过设置高精度的温度补偿电路，可以作到
35、偏置输出与温度的关系为精度的温度补偿电路，可以作到偏置输出与温度的关系为3%FS，灵敏度与温度的关系为，灵敏度与温度的关系为1%FS。从上面的说明中可以看出，通过采用高精度的温度补偿电路从上面的说明中可以看出，通过采用高精度的温度补偿电路和低输入的偏置温度漂移运算放大器，可以得到温度特性优和低输入的偏置温度漂移运算放大器，可以得到温度特性优秀，经济性好的半导体加速度传感器。秀，经济性好的半导体加速度传感器。上一页返回10.4 高精度高可靠性高精度高可靠性MEMS加速度加速度传感传感10.4.1前言前言 近几年来，在汽车市场上，安全气囊及近几年来，在汽车市场上，安全气囊及ABS等安全设备大体等安
36、全设备大体上已成为标准配置，伴随而来的是对控制这些安全设备的传上已成为标准配置，伴随而来的是对控制这些安全设备的传感器的迫切要求。感器的迫切要求。采用采用MEMS技术的超小型加速度传感器就是响应这种要求而技术的超小型加速度传感器就是响应这种要求而出现的。当前，各厂家都在努力地进行开发与研究，特别是出现的。当前，各厂家都在努力地进行开发与研究，特别是迫切希望生产出低价格、高精度，而且高耐环境性的、低迫切希望生产出低价格、高精度，而且高耐环境性的、低G用的加速度传感器。用的加速度传感器。返回下一页10.4 高精度高可靠性高精度高可靠性MEMS加速度加速度传感传感 要想开发小型化的芯片，就要完成以下
37、这些课题要想开发小型化的芯片，就要完成以下这些课题:(1)热应力将使偏置电压变化增大的问题热应力将使偏置电压变化增大的问题 (2)回路放大器会引起偏置电压的变化增大的问题回路放大器会引起偏置电压的变化增大的问题 (3)传感器灵敏度的下降造成输出温度特性变差的问题传感器灵敏度的下降造成输出温度特性变差的问题 为了解决上述问题，本节所介绍的传感器采用了下述措施为了解决上述问题，本节所介绍的传感器采用了下述措施:(a)改进管芯与封装的结构改进管芯与封装的结构 (b)采用采用IC与新的温度特性补偿方法与新的温度特性补偿方法上一页返回下一页10.4 高精度高可靠性高精度高可靠性MEMS加速度加速度传感传
38、感 具体来说，采用了热应力难以传输到传感器芯片的结构，开具体来说，采用了热应力难以传输到传感器芯片的结构，开发了新的封装方法，减少传感器芯片自身偏置电压的变化，发了新的封装方法，减少传感器芯片自身偏置电压的变化，通过采取这些措施，实现了高耐环境性。此外，重新开发了通过采取这些措施，实现了高耐环境性。此外，重新开发了采用专用采用专用ASIC数字调整方式，在获得高精度输出特性的同数字调整方式，在获得高精度输出特性的同时，通过采用斩波放大器进一步提高了耐环境性时，通过采用斩波放大器进一步提高了耐环境性.上一页返回下一页10.4 高精度高可靠性高精度高可靠性MEMS加速度加速度传感传感10.4.2加速
39、度传感器芯片加速度传感器芯片 (1)传感器芯片的结构与检测原理。半导体压电电阻式加速传感器芯片的结构与检测原理。半导体压电电阻式加速度传感器的芯片结构如度传感器的芯片结构如图图10-11所示，这种芯片是在硅片上所示，这种芯片是在硅片上形成悬臂梁的，利用扩散工艺在横梁形成悬臂梁的，利用扩散工艺在横梁(即悬臂梁即悬臂梁)的表面上排的表面上排列压电电阻，在形成悬臂梁时，采用列压电电阻，在形成悬臂梁时，采用ICP蚀刻技术的目的是蚀刻技术的目的是减小芯片的尺寸。减小芯片的尺寸。上一页返回下一页10.4 高精度高可靠性高精度高可靠性MEMS加速度加速度传感传感 传感部位的硅片通过各阳极实现结合，利用结合用
40、的上部玻传感部位的硅片通过各阳极实现结合，利用结合用的上部玻璃、下部玻璃实施保护，其目的是防止加速度过高时造成重璃、下部玻璃实施保护，其目的是防止加速度过高时造成重块破损以及防尘用。块破损以及防尘用。横梁上的压电电阻按惠斯顿电桥方式连接，如横梁上的压电电阻按惠斯顿电桥方式连接，如图图10一一12所所示。当存在加速度时，重块向上或向下移动、横梁产生挠曲，示。当存在加速度时，重块向上或向下移动、横梁产生挠曲，由于这时会形成变形，所以压电电阻的阻值改变、桥式电路由于这时会形成变形，所以压电电阻的阻值改变、桥式电路的平衡被破坏，传感器的输出电压气，发生变化。的平衡被破坏，传感器的输出电压气，发生变化。
41、这种变化被这种变化被IC电路放大，因此可以得到所需电路放大，因此可以得到所需要的输出电压。要的输出电压。上一页返回下一页10.4 高精度高可靠性高精度高可靠性MEMS加速度加速度传感传感 (2)传感器存在的难题。在半导体压电电阻式加速度传感器传感器存在的难题。在半导体压电电阻式加速度传感器上，当加速度引起横梁产生挠度变形时，压电电阻值发生变上，当加速度引起横梁产生挠度变形时，压电电阻值发生变化，由此使传感器的输出发生变化。当加速度之外的原因产化，由此使传感器的输出发生变化。当加速度之外的原因产生的应力生的应力(以下称干扰应力以下称干扰应力)加在传感器芯片上时，压电电阻加在传感器芯片上时，压电电
42、阻值也会变化值变化就会产生误差，导致精度下降，在长时间值也会变化值变化就会产生误差，导致精度下降，在长时间使用时，从初始状态干扰应力变化时就发生变化，这样就无使用时，从初始状态干扰应力变化时就发生变化，这样就无法得到较高的可靠性。与加速度不同，干扰应力所引起的输法得到较高的可靠性。与加速度不同，干扰应力所引起的输出电压的变化，是以静态方式加到传感器上的，所以是以传出电压的变化，是以静态方式加到传感器上的，所以是以传感器的偏置电压发生变化的形式表现出来。从减小偏置电压感器的偏置电压发生变化的形式表现出来。从减小偏置电压发生变化的角度，本文所述传感器所采取的措施如下。发生变化的角度，本文所述传感器
43、所采取的措施如下。传感器芯片本身采取没有初始变形的结构。传感器芯片本身采取没有初始变形的结构。采用干扰应力难以传输到传感器芯片的结构。采用干扰应力难以传输到传感器芯片的结构。上一页返回下一页10.4 高精度高可靠性高精度高可靠性MEMS加速度加速度传感传感 (3)减少传感器芯片的初始变形。因为传感器芯片是将硅片减少传感器芯片的初始变形。因为传感器芯片是将硅片的上下两侧玻璃、采用阳极结合法而构成的，所以在初始状的上下两侧玻璃、采用阳极结合法而构成的，所以在初始状态下就存在有各种造成变形的原因。在这些变形原因之中，态下就存在有各种造成变形的原因。在这些变形原因之中，对偏置电压影响最大的因素是热应力
44、，特别是玻璃与硅之间对偏置电压影响最大的因素是热应力，特别是玻璃与硅之间的线膨胀系数的不同，在阳极结上形成的残余应力是变形的的线膨胀系数的不同，在阳极结上形成的残余应力是变形的主要原因。主要原因。因此对玻璃与硅的结合部位进行热应力解析，使结合形状实因此对玻璃与硅的结合部位进行热应力解析，使结合形状实现最佳化，这样做的目的是实现芯片自身为无初始变形的结现最佳化，这样做的目的是实现芯片自身为无初始变形的结构。具体来讲，是以接合的长度为参数，找出偏置电压的零构。具体来讲，是以接合的长度为参数，找出偏置电压的零电平点之后，再决定接合长度。电平点之后，再决定接合长度。上一页返回下一页10.4 高精度高可
45、靠性高精度高可靠性MEMS加速度加速度传感传感 进行解析时所采用的方法是进行解析时所采用的方法是:着眼于压电电阻部位和与其近距着眼于压电电阻部位和与其近距离的上部玻璃和硅的阳极接合部位，从设计自由度较高的接离的上部玻璃和硅的阳极接合部位，从设计自由度较高的接合长度合长度L为参数进行解析。其计算方法是为参数进行解析。其计算方法是:利用三维热应力解利用三维热应力解析软件计算从接合温度析软件计算从接合温度(400)起到室温时的温度变化所产起到室温时的温度变化所产生的热应力的分布，再将压电电阻位置的应力值换算成电阻生的热应力的分布，再将压电电阻位置的应力值换算成电阻的变化，求出偏置电压的变化。的变化，
46、求出偏置电压的变化。上一页返回下一页10.4 高精度高可靠性高精度高可靠性MEMS加速度加速度传感传感 (4)外部干扰应力的对策。芯片在外壳上的装配状态以及在外部干扰应力的对策。芯片在外壳上的装配状态以及在印刷电路板上的装配状态的剖面图，如印刷电路板上的装配状态的剖面图，如图图10一一13所示。芯所示。芯片与陶瓷外壳的底面是用柔软的硅钻结剂接合在一起的，然片与陶瓷外壳的底面是用柔软的硅钻结剂接合在一起的，然后将此封装件再用焊锡装配在玻璃环氧树脂底板上。后将此封装件再用焊锡装配在玻璃环氧树脂底板上。上一页返回下一页10.4 高精度高可靠性高精度高可靠性MEMS加速度加速度传感传感 芯片装配在外壳
47、及玻璃环氧树脂底板的状态下，当周围温度芯片装配在外壳及玻璃环氧树脂底板的状态下，当周围温度发生变化时，所产生的热应力传播到芯片压电电阻部位时，发生变化时，所产生的热应力传播到芯片压电电阻部位时，往往就会产生变形。当热应力较大时，即使降到原来的温度，往往就会产生变形。当热应力较大时，即使降到原来的温度，由于残留有塑性变形，偏置电压也无法回到原来的数值，称由于残留有塑性变形，偏置电压也无法回到原来的数值，称这种现象为输出滞后。此外，当温度反复变化时，由于塑性这种现象为输出滞后。此外，当温度反复变化时，由于塑性变形的累积，偏置电压会出现漂移，因此，如果能够实现热变形的累积，偏置电压会出现漂移，因此，
48、如果能够实现热应力难以传递到芯片上的结构的话，就可以降低输出滞后现应力难以传递到芯片上的结构的话，就可以降低输出滞后现象，同时还可以抑制偏置电压的变化。由此采取以下的措施。象，同时还可以抑制偏置电压的变化。由此采取以下的措施。上一页返回下一页10.4 高精度高可靠性高精度高可靠性MEMS加速度加速度传感传感 第一，加厚下部玻璃的厚度，这样做的目的是为了吸收外壳第一，加厚下部玻璃的厚度，这样做的目的是为了吸收外壳与芯片之间所产生的热应力。与芯片之间所产生的热应力。第二，为了吸收外壳与装配在外壳上的玻璃环氧底板之间所第二，为了吸收外壳与装配在外壳上的玻璃环氧底板之间所产生的热应力，在外壳底曲的芯片
49、装配的周围形成一个应力产生的热应力，在外壳底曲的芯片装配的周围形成一个应力缓和槽。这是为了减小焊锡所连接的两者之间线膨胀系数非缓和槽。这是为了减小焊锡所连接的两者之间线膨胀系数非常大时所产生的热应力的措施。常大时所产生的热应力的措施。上一页返回下一页10.4 高精度高可靠性高精度高可靠性MEMS加速度加速度传感传感 (5)试验结果。以上述设计为基础，制作传感器芯片与外壳，试验结果。以上述设计为基础，制作传感器芯片与外壳，测定热应力引起的偏置电压的变化。对其进行温度循环试验测定热应力引起的偏置电压的变化。对其进行温度循环试验时时(208520-4020)，测定偏置电压，测定偏置电压的输出滞后，所
50、得结果如的输出滞后，所得结果如图图10-14所示。这里所说的输出滞所示。这里所说的输出滞后是以第一个后是以第一个20下的偏置电压为基准，从下的偏置电压为基准，从85降到降到20之后与从之后与从-40升到升到20的偏置电压中较大的值来定义的。的偏置电压中较大的值来定义的。上一页返回下一页10.4 高精度高可靠性高精度高可靠性MEMS加速度加速度传感传感 此外，进行热冲击试验此外，进行热冲击试验(100一一40气相气相)测试偏置电压测试偏置电压的变化，所得结果如的变化，所得结果如图图10-15所示。从这些结果来看，通过所示。从这些结果来看，通过增加底座的厚度，进而设置应力缓和槽就可以抑制热应力引增
