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感知“利”器:单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计

导读: 为真实再现碰撞、起飞等过程中的加速度信号细节,尽可能地减小信号失真,高g值加速度计不仅要具备高抗冲击性及足够的灵敏度,还要具备较高的谐振频率及工作带宽。

随着硅基MEMS加工技术的日益成熟,MEMS高g值加速度计凭借其体积小、成本低、性能高和适于量产等优势,目前已广泛应用于汽车碰撞试验、航天导航、军用惯性导航等领域。为真实再现碰撞、起飞等过程中的加速度信号细节,尽可能地减小信号失真,高g值加速度计不仅要具备高抗冲击性及足够的灵敏度,还要具备较高的谐振频率及工作带宽。三轴集成高g值加速度计可同时检测同一位置XYZ三轴的加速度信号,可实现加速度矢量信号实时输出,相比于三个检测轴正交的单轴高g加速度计,芯片安装更加简易,信号读取更加准确,制造成本更加低廉。

感知“利”器:单芯片硅集成三轴高频宽高冲击加速度计

目前国内应用较广的悬臂梁式高g值加速度计,多为双抛片双面微机械加工后键合制作而成,这类加速度计有一些明显的缺点:工艺复杂、尺寸较大、成本较高、残余应力大。中科院上海微系统与信息技术研究所(以下简称上海微系统所)高g值加速度计研究组通过改进工艺,使用单抛片通过单面微机械加工制造出性能更优的悬臂梁式高g值加速度计,同时具备制造工艺简单、制造成本低廉、芯片尺寸较小、结构强度高等优点。

随着该项技术的进步和推广,上海微系统所研发出基于单抛片单面工艺的三轴悬臂梁式高g值加速度计,在性能、制造工艺复杂度、成本、芯片尺寸、结构强度等指标上,几近做到了悬臂梁式高g值加速度计的极致。然而,由于悬臂梁结构自身的限制,这类加速度计无法同时获得高灵敏度和高谐振频率。

改用直拉直压梁作为高g值加速度的检测结构,可同时获得高灵敏度及高谐振频率。鉴于此,上海微系统所又开发出了基于单晶硅基底的高谐振频率高冲击加速度计,在不失工艺简单、制造成本低廉、芯片尺寸较小、结构强度高等优势的前提下,在保持较高灵敏度的同时,大大提高了传感器的一阶谐振频率,即大大提高了工作带宽。

然而,三边固支板与直拉直压梁的组合结构仅适用于检测硅片表面内二轴(XY轴)的加速度,而垂直硅片表面一轴(Z轴)加速度计目前并不能同时获得高灵敏度及高谐振频率。

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