蝶翼式振动加速度传感器设计与制造*

李 凯,单 恒,蒲金飞,2,陈伟琪,吴学忠,侯占强

(1.国防科技大学 智能科学学院,湖南 长沙 410073；2.唐智科技湖南发展有限公司,湖南 长沙 410007)

0 引 言

微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)加速度传感器的研究与开发始于20世纪80年代初,采用MEMS和集成电路(integrated circuit,IC)加工工艺生产。它吸收了多种学科的研究成果,具有集成电路系统的许多优点。近些年来,国内外很多科研机构与公司对MEMS加速度传感器进行了大量的研究工作,取得了许多研究进展[1～4]。由于MEMS 传感器具有功耗低、质量轻、灵敏度高等优势,可在不影响被测物体的结构的条件下测出物体的特性,因此在电子、机械、化工等领域应用广泛[5～7]。但由于技术和成本等多方面的原因,之前这些技术主要应用于工业、军事、汽车制造、仪器仪表,及医疗等领域,未大量进入消费类产品市场。

目前高精度、低量程MEMS加速度传感器产品已得到应用广泛[8～10],但产品量程和部分性能仍然无法满足故障诊断和安全工程领域的监测需求,故在原MEMS加速度传感器研究基础上希望研究出一种高谐振频率、高量程、小体积、性能稳定的MEMS加速度传感器,并推广应用至轨道交通、风力发电等领域,为其安全运行提供技术保障,从而提高社会效益。

故障诊断与安全监测通常应用在高速旋转部件中,要求传感器的振动量程不小于±100gn,灵敏度误差不小于5 %,谐振频率大于15 kHz。

针对上述要求,在前期研究的基础上,提出了一种大量程、小体积、高带宽的蝶翼式振动加速度传感器。其采用四质量块全差分结构,相比传统的单扭结构、结构更对称,具有更高的检测灵敏度；……