悬臂梁加速度传感器设计

加速度传感器测速原理及电路图加速度传感器，英文名称为acceleration transducer, 是一种利用感受加速度并将其转换为电信号的方式来测量加速力(加速力即指作用于物体上使物体处于加速过程中的力)的设备。

目前已在汽车安全、智能产品、游戏控制等众多领域都得到广泛的应用。

加速度传感器的工作原理敏感元件将测点的加速度信号转换为相应的电信号，进入前置放大电路，经过信号调理电路改善信号的信噪比，再进行模数转换得到数字信号，最后送入计算机，计算机再进行数据存储和显示。

当传感元件以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，发生与加速度成正比a的形变，使悬臂梁也随之产生应力和应变。

该变形被粘贴在悬臂梁上的扩散电阻感受到。

根据硅的压阻效应，扩散电阻的阻值发生与应变成正比的变化，将这个电阻作为电桥的一个桥臂，通过测量电桥输出电压的变化可以完成对加速度的测量。

当待测物运动时，支座和待测物同时加速运动。

压电元件受质量块与加速度相反方向的惯性力作用，就在晶体2个表面产生交变电荷(电压)。

当振动顿率远低于传感器的固有频率时,传感器的输出电荷(电压)正比于作用力2线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A(加速度)=F(惯性力)/M(质量) 我们只需要测量F就可以了。

怎么测量F？用电磁力去平衡这个力就可以了。

就可以得到F对应于电流的关系。

只需要用实验去标定这个比例系数就行了。

当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。

加速度传感器自然是对自身器件的加速度进行检测。

其自身的物理实现方式咱们就不去展开了,可以想象芯片内部有一个真空区域,感应器件即处于该区域,其通过惯性力作用引起电压变化,并通过内部的ADC 给出量化数值。

加速度传感器的应用多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的所谓的压电效应就是'对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应 '。

针对SOI 集成传感器芯片结构的特殊性，同时考虑到芯片成品率和器件的可靠性，根据已经开发的普通压阻工艺规则、考虑到光刻和键合设备能力、同时为保证加速度传感器件结构布线的需求制定了集成传感器芯片的工艺规则。

为保证结构加工的成品率，加速度传感器弹性支撑悬臂梁的厚度设计为30um 。

考虑到整个器件的尺寸、加速度传感器的量程等诸多因素，加速度传感器支撑悬臂梁的宽度必须比较小；但为保证在一条弹性悬臂梁的宽度范围内并排放下两个压阻和六条金属导线，同时又要将图形尺寸设计的足够大，以尽可能减少加工偏差对图形尺寸影响的比例，以获得较高的成品率和可靠性。

综合考虑以上因素，布线的工艺规则以5um 为最小图形线宽和间隔、压阻图形面引线孔覆盖最小为2um 、双面光刻和对准键合的图形覆盖最小为4um ，其他还要求器件的焊盘最小间距大于100um 、焊盘面积大于100100um um 、硅片划片槽宽度为200um 。

MEMS 光刻掩模版介绍光刻技术是一种将掩模版的图形转移到衬底表面的图形复制技术，即利用光源选择性照射光刻胶层使其化学性质发生改变，然后显影去除相应的光刻胶得到相应图形的过程。

光刻得到的图形一般作为后续工艺的掩模，进一步对光刻暴露的位置进行选择性刻蚀、注入或者淀积等。

MEMS 掩模版是一块单面附有金属铬层的厚度为c 的石英玻璃平板，掩模图案构造于铬层中。

光刻掩模版的制作是MEMS 器件加工流程的开始。

一般对掩模版的设计要求为：图形的尺寸要准确；图形边缘应光洁，陡直和无毛刺；图形黑白对比要深，图形内无针孔，图形外无黑点；整套版中的各块能一一套准；底版要牢固、耐磨；各图形区内应有掩蔽作用，图形区外应完全透过紫外光或对光吸收极少。

根据制定的集成传感器的工艺规则，结合需要的MEMS 器件结构，就可以开始进行MEMS 掩模版的版图设计。

版图是一组具有一定对应关系的图形，它与器件的结构、所用的加工工艺密切相关，每层版图都对应于不同的工艺步骤。

一．传感器设计1、应变式加速度传感器简介能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，称为传感器，通常由敏感元件和转换元件组成。

应变式加速度传感器是一种低频传感器，由弹性梁，质量块，应变片及电桥等组成，质量块在加速度作用下，产生惯性力使弹性梁变形，引起应变片阻值发生变化，通过电桥来获取信号，是车辆振动测量常用传感器。

2应变式加速度传感器结构在这种传感器中,质量块支撑在弹性体上,弹性体上贴有应变片（图1）。

测量时,在质量块的惯性力作用下,弹性体产生应变,应变片把应变变为电阻值的变化，最后通过测量电路输出正比于加速度的电信号。

弹性体做成空心圆柱形增加传感器的固有振动频率和粘贴应变片的表面积。

另一种结构形式为悬臂梁式，弹性振梁的一端固定于外壳，一端装有质量块。

应变片贴在振梁固定端附近的上下表面上。

振梁振动时，应变片感受应变。

应变片可在测量电路中接成差动桥式电路。

应变片加速度计也适用于单方向（静态）测量。

用于振动测量时,最高测量频率取决于固有振动频率和阻尼比,测量频率可达3500赫。

下图是传感器结构图图1传感器结构简图Ebh H = R - R2- ⎪3 应变式加速度传感器特点这种结构灵敏度高，但体积较大，实际应用中需要硅油提供大的阻尼力应变式振动传感器的主要优点是低频响应好，可以测量直流信号（如匀加速度）。

4.计算设计：设计步骤根据设计指标估计如下结构参数： 梁长度：L (mm):11 梁宽度：b (mm):5 梁厚度：h (mm):0.5 质量块半径：r (mm):3 质量块厚度：c (mm):4 许用应力系数取：0.55；梁根部最大应变：ε max≤400 (μ ε )。

基本原理：质量块 M 在加速度 a 作用下产生惯性力： F = Maa梁在惯性力的作用下产生应变： ε = 6Lx x2Fa应变引起应变片阻值变化Δ R ，电桥失去平衡而输出电压，通过测量电压可求得 加速度。

计算梁的最大挠度挠度反映梁质量块的活动空间⎛ B ⎫2 ⎝ 2 ⎭(mm) w = ( R - H ) - (c + 0.5h) (mm)wmax< w 0(mm)6x=1.5929⨯ 10 -4 (ε/g ) x =3.1857e-006(ε/g ) Ebh 2如图所示，代入 R=7，B=6，c=4,h=0.5,得 H= 6.7544e-004mm, w =0.0021mm壳体质量： m =壳体体积 ⨯ 壳体材料密度 0质量块质量： m =质量块体积 ⨯ 质量块材料密度1弹性梁质量： m = 梁体积 ⨯ 梁材料密度(g) 2 硅油质量： m = 充油空间 ⨯ 硅油密度3质量块等效质量： M = m +m2(kg )1由上面给出的数据，可得 m =1.8g ， m =0.216g12得 M=0.0105kg 。

悬臂梁式微电子加速度计有限元建模与动力学分析本文简要分析了微电子加速度计的工作原理，建立了悬臂梁式微电子加速度计的实体模型，采用有限元分析软件ANSYS8.0对其进行模态分析、瞬态响应分析以及静电-结构耦合分析，考虑不同设计尺寸条件下器件的灵敏度特性，在瞬时激励下的位移和应力响应情况，并分析了静电力对器件性能的影响。

标签：微电子加速度计；模态分析；瞬态响应1 微电子加速度计工作原理微加速度计是用来测量加速度的惯性器件，按照传感原理划分，它的类型有压阻式加速度计、压电式加速度计、电容式加速度计、电子隧道式加速度计、谐振式加速度计、热式加速度计等。

一般来说加速度计的机械部分可以等效为一个惯性质量弹簧阻尼系统，如图1所示，检测质量为M，梁的有效刚度为K，还有影响动态性能的阻尼系数D。

外部加速度将使质量块和梁产生位移，同时将改变梁的内部应力，这个位移和应力都可用于测量加速度。

表示加速度计性能的参数典型的有：灵敏度，最大量程，频率响应，分辨率，满量程非线性漂移，横向灵敏度以及抗冲击能力等，对加速度性能的要求取决于他们的用途。

显然，可以通过减少质量或增加刚度来增加自然频率；同时，减小阻尼，增加质量及刚度可以提高品质因数；最后，减小刚度可以提高静态灵敏度。

2 悬臂梁式微加速度计有限元建模与仿真2.1 实体模型的建立本文建立两种加速度计模型如图2所示，同时表1给出了结构尺寸参数。

第一种是简单的单悬臂梁结构，其上同时包含了检测质量与敏感元件；第二种是四悬臂梁结构，检测质量加在平行的四悬臂梁的末端。

灵敏度Sq的表达式近似给出如下：，d31是横向的压电耦合系数，？籽是梁的密度，b是梁的宽度，L是梁的长度，te是弹性悬臂梁基底的厚度，tp是压电层的厚度，假设tp＜<te且弹性模空间的弹性模量和压电薄膜弹性模量相同（Ezno=Esi）。

对于实际设计中，不能完全认为假设是正确的，然而简单的分析仍旧有利于我们目前所讨论的最佳设计方案。

悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的特性研究的开题报告
尊敬的评委老师：
我是XXX，我的论文题目是《悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的特性研究》，我很荣幸能在这里向大家介绍我的研究题目。

近年来，随着工业技术的不断发展，传感器在生产线上的作用变得越来越重要。

光纤光栅传感器是一种新型的传感器技术，具有高灵敏度、小型化和抗干扰能力强等
优点。

其中，悬臂梁式光纤光栅加速度传感器由于具有精度高、响应速度快、易于制
造和使用等优点而备受关注。

其主要结构由光纤光栅和悬臂梁组成，可用于地震预警、飞行器姿态控制、车辆运动检测等。

本研究主要是对悬臂梁式光纤光栅加速度传感器进行性能研究，主要包括以下三个方面：
1. 基于MATLAB的仿真模拟：通过MATLAB软件对悬臂梁式光纤光栅加速度传
感器进行仿真模拟，研究其工作原理、灵敏度等性能参数，探讨加速度检测敏感度和
检测频率响应等特性。

2. 悬臂梁加速度传感器的制备：根据理论研究结果，制备出悬臂梁式光纤光栅加速度传感器原型。

通过对其物理性能测试和电路调试，分析并优化其精度和灵敏度。

3. 实验评估：将悬臂梁式光纤光栅加速度传感器应用到地震预警、飞行器姿态控制、车辆运动检测等场景中，对其实际性能进行评估。

通过对实验结果的分析，进一
步验证其实用性。

基于上述研究方向，本篇论文旨在从理论到实践全方位展示悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的性能优势和应用前景，为后续传感器技术的研究和发展提供参考。

最后，谢谢评委老师的关注和支持，期待今后的交流和指导。

加速度传感器电路设计与数据处理算法概述随着科技的发展，加速度传感器广泛应用于可穿戴设备、汽车安全系统、智能手机等领域。

本文将讨论加速度传感器电路设计与数据处理算法的相关内容，介绍加速度传感器的基本原理以及常用的电路设计方案和数据处理算法。

1. 加速度传感器基本原理加速度传感器是一种测量物体加速度的装置。

它通过测量由物体产生的惯性力来精确测量物体在三个方向上的加速度。

常用的加速度传感器包括压电式、微机电系统（MEMS）式和霍尔式等。

压电式传感器基于压电效应，当物体受到外力作用时，引起压电材料产生电荷分布的变化。

通过测量电荷的变化，可以推断物体的加速度。

这种传感器具有较高的测量精度和频率响应，但成本较高。

MEMS式传感器基于微机电系统技术，通过微米级电极和敏感质量体的结构，测量感应质量体的微小变位。

这种传感器具有小巧轻便、功耗低的优点，并广泛应用于移动设备和汽车等领域。

霍尔式传感器基于霍尔效应，通过测量磁场的变化来推断加速度。

这种传感器具有高灵敏度和良好的温度稳定性，但受到外界磁场的干扰较大。

2. 加速度传感器电路设计在加速度传感器的电路设计中，主要考虑传感器的功耗、噪声、输出电压范围和抗干扰性等因素。

为了减小功耗，可以采用低功耗的运放和电源管理电路，保证传感器的正常工作并延长电池寿命。

为了减小噪声，可以采用金属屏蔽以及滤波电路。

金属屏蔽可以有效地减少传感器周围的电磁辐射干扰，而滤波电路可以滤除高频噪声。

为了保证输出电压范围，可以采用自适应增益控制电路和电流平衡电路。

自适应增益控制电路能够根据实际情况调整传感器的增益，提高信号的动态范围。

电流平衡电路能够减小由于工艺差异引起的零点漂移。

为了提高传感器的抗干扰性，可以采用差分信号放大器和通道隔离电路。

差分信号放大器能够抵抗共模信号干扰，提高信号的稳定性。

通道隔离电路能够将传感器与处理器之间的电气耦合分开，减少互相之间的干扰。

3. 加速度传感器数据处理算法加速度传感器数据处理算法是将原始传感器数据转化为可用于后续应用的信息的过程。

一、设计要求1、功能与用途加速度传感器在现代生产生活中被应用于许许多多的方面，如手提电脑的硬盘抗摔保护，另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，自动调节相机的聚焦。

而这些产品中由于要求对温度的干扰有很大的免疫力，其中采用的都是压电式加速度传感器。

压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面，灵敏度是压电加速度传感器应用时候要考虑到的重要因素之一。

概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。

2、指标要求分别用压电式传感器、电阻应变式传感器、电容传感器实现加速度的测量将非电量转化为电量输出。

二、设计方案及其特点依据压电效应、电阻应变效应以电容相关的物理参数及性质随外力而变化的特性，可制作成压电式加速度传感器、电阻应变式加速度传感器及电容式加速度传感器。

三种加速度传感器的设计及特点分别叙述如下：1、方案一压电式加速度传感器压电加速度测量系统结构框图如图1图1压电加速度传感器采用具有压电效应的压电材料作基本元件,是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。

这些压电材料,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,内部就产生极化现象,同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷;当外力去掉后,又重新恢复不带电的状态;当作用力的方向改变时,电荷的极性也随着改变。

电信号经前置放大器放大,即可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小,从而得出物体的加速度图2 压电式加速度计的幅频特性曲线加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图2。

方案二电阻应变式加速度传感器应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。

其基本工作原理是：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即a=F/m。