微型加速度传感器原理

加速度传感器是一种惯性传感器，一般由敏感元件、交换元件、测量电路三部分组成，可用如下框图表示：
根据传感器敏感元件和转换原件的不同，加速度传感器可以分为电容式、压电式、光纤式、压阻式等类型。

1.电容式加速度传感器
电容式加速度传感器可以将振动位移参量的变化转变成为电容量的变化，其基本敏感机理比较简单。

如图所示，上下极板为固定电容极板具有公共电极，中间质量块为可动电容极板。

当有外界振动时可动极板跟随振动，从而改变电容。

上下电容同时改变，但是变化方向相反，称为差动式。

其特点是动态范围较大，最大位移和最小位移之比可大，如果采用差动测量方法数值增大一倍，灵敏度高、响应时间短、稳定性好。

因为结构简单，影响稳定性的因素少、无内部和外部的各种摩擦和接触应力误差，对温度变化的固有敏感性低。

电容式加速度传感器结构示意图
采用MEMS有关工艺制成的微加速度计，其敏感芯片的体积仅5 mill见方，和成人的小指甲盖大小差不多，比采用精密机械加工成的加速度计小12个数量级。

由于其质量小，因此能承受高冲击，实验测试这种原理的微加速度计在不加电状
态下X、Y、Z三个方向至少可以承受数百乃至数千g以上的冲击。

2.压电加速度传感器
压电传感器的工作原理是基于某些晶体材料的压电效应，它是一种无源式传感器，直接将机械能转变成电能。

压电效应分为正向压电效应和逆向压电效应。

正向压电效应是指当晶体受到某固定方向外力作用时，相应的在一定晶体表面产生电荷，当外力作用消失时，晶体表面的电荷也会随着消失。

当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变。

晶体受力产生的电荷量与外力大小成正比。

逆向压电效应是指当某晶体沿一定方向受到电场作用时，相应的在一定晶轴方向产生机械形变或机械应力，当外加电场撤去后机械形变或机械应力也消失。

如图所示的是利用压电效应的压电式加速度传感器结构简图：
压电加速度传感器结构示意图
中心压缩型压电传感器结构简单，工艺性好，相同质量情况下能得到较高的固有频率，成本较低，压电元件一般由两片组成。

在剪切型压电传感器中，平面剪切型结构能承受相对较高的冲击加速度，中心柱、压电元件和质量块均做成平板形，左右压电元件通过横向螺栓固紧在中心立柱上。

与中心压缩型相比，剪切型结构对非振动因素具有较好的隔离性，具有更好的静态特性，更高的信噪比和宽的高低频特性。

在剪切型结构中，压电片受剪切力，高冲击产生的剪切力较大，这就需要有较大的横向预紧力，这对压电片和预紧螺杆螺母的强度要求很高，其抗冲击能力和频响没有中心压缩型的好。

3.压阻式加速度传感器
压阻式加速度传感器主要由3个部分组成：1. 带质量块的悬臂梁弹性元件，可将所要测试的加速度转换成机械变形量（如应力、应变）；2. 力敏原件，常用的是硅微固态压阻平膜芯片，通过玻璃粉烧结工艺封装在弹性元件的最大应力集中处，当有加速度作用时，弹性元件的最大机械变形量就通过平膜芯片的压阻效应转化为惠斯登电桥的电阻变化量，并在一定的电源激励下，实现对加速度的测量；3. 具有过载保护功能的机械结构设计。

如下图所示：
压阻式加速度传感器示意图
实际常用的三轴加速度传感器如下图所示，4个相互垂直的单端固支硅悬臂梁支撑着中间的可动质量悬块,用来检测3个方向的加速度;底部的PYREX玻璃基底提供加速度传感器的高过载限位保护。

压敏电阻分布在4个悬臂梁上,将各电阻连接可以分别构成检测3个垂直方向加速度的惠斯通电桥。

当传感器受到外界加速度a时, 质量块m 会把加速度转化为惯性力F = m a , 使悬臂梁发生形变,产生应力变化,导致压敏电阻的阻值发生变化,最后由惠斯通电桥输出相应电压的变化。

三轴加速度传感器示意图
温度传感器原理
温度传感器使用沿[ 100 ]或[ 010 ]晶向分布的锯齿形P型掺杂扩散电阻测温,结构如下图所示。

通过调节扩散电阻的掺杂浓度可以使电阻具有良好的线性温度系数。

温度传感器的测温电阻也具有压阻效应,外界应力会导致测温电阻值的变化。

因此,为避免应力对温度传感器阻值的影响,在设计测温电阻时将电阻方向沿[ 100 ]或[ 010 ]晶向布置以获得最小的压阻系数,同时提高电阻的掺杂浓度以减小整体压阻系数。

SOI硅片上制作的扩散电阻具有比普通硅片扩散电阻更好的线性温度系数。

普通硅片的扩散电阻利用PN结与衬底隔离,随温度的升高, PN结漏电流的增加,导致了扩散电阻的温度系数具有较大的非线性。

而SOI硅片上制作的扩散电阻利用SOI硅片的二氧化硅绝缘层与衬底隔离,从而避免了漏电流的影响,具有更好的线性温度系数和更大的测量温度范围。

对基于压阻效应的传感器来说,温度是影响测量精度的主要因素之一。

在集成传感器芯片中,温度传感器作为片上的温度测量元件直接反映芯片的温度,因此,作为补偿集成芯片中各传感器温度漂移的温度基准,可以提高测量的精度。

温度传感器结构示意图。