專利名稱：多維加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種測量各種物體運動參數(shù)和振動數(shù)據(jù)的傳感器，特別是一種適用于車輛運動速度改變對其安全汽囊控制的多維加速度傳感器。它也適用于各種機械振動的檢測與控制；航空和航天器、船舶的防旋、搖擺控制。
背景技術(shù)：
目前，測量各種物體狀態(tài)，如機械振動的檢測與控制；車輛運動速度的檢測與控制；航空和航天器、船舶的防旋、搖擺控制等的運動參數(shù)和振動數(shù)據(jù)，一般常用加速度傳感器?，F(xiàn)有的加速度傳感器主要有壓阻式和電容式兩種，但大多為線性傳感器。壓阻式結(jié)構(gòu)加工難度較大，標定困難，成品率低，成本高，機械強度差，易損壞。而電容式結(jié)構(gòu)則易受外界條件，如空氣、溫度、濕度、空間電磁輻射等影響，因此，應用范圍受到一定影響。
隨著汽車工業(yè)氣囊安全系統(tǒng)控制技術(shù)要求的不斷提高，一些各具特色的加速度傳感器開始面世。國內(nèi)外一些文獻也作了大量報導如專利號為93245636.7的“擺錘式加速度傳感器”和94217112.9的“加速度傳感器”，主要是利用安裝在汽車傳動軸上的質(zhì)量塊的慣性力作用或使其起偏心作用，通過光電傳感器、霍爾元件或發(fā)電機作傳感器，只能檢測出汽車剎車速度改變的情況，以確定其剎車程度，但不能用于檢測汽車受外力沖擊作用時的加速度值。
專利號為95107246.3(優(yōu)先權(quán)0為JP141676/94)的“加速度傳感器”是一種用于控制汽車安全汽囊的壓阻式傳感器，它是在EP534366A1的基礎上改進的，其采用壓電陶瓷元件和信號處理電路、以PNP晶體管為開關(guān)元件的自判定電路及其自判定電容器等組成。受其結(jié)構(gòu)的限制，輸出的自判定信號仍然無法確保穩(wěn)定，還會產(chǎn)生誤動作或故障。
專利號為99230479.2的“厚膜壓阻式三軸向加速度傳感器”，因其體積較大，故只適用于對傳感器的體積和重量的限制不嚴格的使用場合。采用傳統(tǒng)的厚膜操作，以陶瓷材料代替半導體硅材料制作三軸向加速度傳感器，其質(zhì)量塊與陶瓷片及其間的連接不易牢固。其輸出小于1.2mV/V·DC，敏感元件與X、Y、Z軸向橋路組合加工有一定難度，頻率響應時間長，滯后太大，防護等級較差，應用范圍受限。
還有專利號為97113221.6(優(yōu)先權(quán)為JP098890/96、JP121953/96、JP023060/97)、97114505.9(優(yōu)先權(quán)為JP35313/97)和97109504.3(優(yōu)先權(quán)為JP40128/96)的“半導體加速度傳感器”，90103465.7的“一種硅梁壓阻加速度傳感器及其制造方法”，00248228.2和00126172.X的“集成硅微電阻式速度傳感及其制造加工方法”，01238754.1和02266744.X的“微機械加速度傳感器”，02143502.2和03103820.4(優(yōu)先權(quán)為JP33696/2002)的“加速度傳感器”等專利文獻，都公開了利用像硅晶體之類的半導體晶體表現(xiàn)出的壓力電阻效應將位移量轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。
上述加速度傳感器大多采用硅應變梁式結(jié)構(gòu)或在陶瓷基座上貼應變片式結(jié)構(gòu)。由于整體硅加工難度很大，硅應變梁必須做得又薄、又脆，所以制造工藝復雜，強度低，很容易折斷，影響使用壽命。特別是要對加工后的硅應變梁和應變片進行零點調(diào)整及非線性和溫度漂移補償，才能提高產(chǎn)品的使用性能。另外現(xiàn)有加速度傳感器一般為線性，要想在多維空間達到一定的測量精度必須使用多個傳感器。因此，在安裝使用過程中，既費工、費力，又多耗用原料和費用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多維加速度傳感器，它從根本上克服現(xiàn)有技術(shù)存在的輸出信號不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復雜，成本高，檢測靈敏度低等缺陷，具有結(jié)構(gòu)緊湊，制備工藝簡單，降低成本，過載能力強，標定容易，可實現(xiàn)多維全方位檢測，靈敏度高，性能可靠的優(yōu)點。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的該裝置包括帶有快速接頭座的絕緣子防護罩、外引線、帶有連接螺紋頭的殼體，其技術(shù)要點是殼體上端封接鈦合金應力杯，在殼體空腔內(nèi)裝有金屬配重塊，金屬配重塊固接在與應力杯底部成一體的應力桿下端，應力杯上部設置與其靜電封接或分子鍵合焊成一體的有惠斯頓電橋的硅應變片，硅應變片上的焊盤通過內(nèi)引線與固定在絕緣子上的外引線相連接。
上述金屬配重塊通過螺紋連接或焊接在應力杯的應力桿下端。
上述硅應變片采用硅藍寶石應變片。
上述硅應變片上設置的惠斯頓電橋，由均勻排列在同向、不同應變區(qū)的單晶硅應變電阻組成，該應變電阻由外延生長在藍寶石單晶表面上的薄硅層構(gòu)成。
由于本發(fā)明采用帶有惠斯頓電橋的硅應變片和帶有應力桿并在其下端固裝金屬配重塊的鈦合金應力杯的結(jié)構(gòu)，所以它能從根本上克服現(xiàn)有技術(shù)存在的輸出信號不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復雜，成本高，檢測靈敏度低等缺陷。該裝置與現(xiàn)有技術(shù)中的壓電陶瓷結(jié)構(gòu)、硅應變梁結(jié)構(gòu)的傳感器相比，因采用硅應變片和高彈性鈦合金應力杯一體化結(jié)構(gòu)，而不采用整體硅加工或硅鍵合結(jié)構(gòu)，所以其結(jié)構(gòu)緊湊，機械強度高，制備工藝相對簡單，可實現(xiàn)多維全方位檢測，靈敏度高，性能可靠，可明顯降低成本。用測力傳感器方法標定該裝置，標定容易，安裝、使用方便。另外，固裝在應力桿上的金屬配重塊，連接牢固，過載能力強。根據(jù)牛頓定律F＝ma，當外界沖擊力F作用到傳感器上時，配重塊m保持慣性運動；應力桿將慣性運動轉(zhuǎn)化為扭力作用在應力杯上，使應力杯上的硅應變片產(chǎn)生應力，惠斯頓電橋失衡，產(chǎn)生電信號輸出，從而實現(xiàn)檢測加速度值的大小。本發(fā)明制作的加速度傳感器經(jīng)檢測精度可達±0.2％以上；量程0～10g至0～1000g；輸入3～12V·DC；輸出30mV·DC/V；響應時間≤0.002秒；防護等級IP68；多方向測量；過載能力達100％；傳感器直接抗振性≥2000g。該裝置用于汽車安全氣囊控制，其使用數(shù)量是現(xiàn)有傳感器的1/4～1/3，成本是目前高檔轎車用傳感器的1/8左右，靈敏度系數(shù)將高出其它傳感器兩個數(shù)量級。因此，很容易滿足汽車工業(yè)氣囊安全系統(tǒng)控制技術(shù)的要求，是一種理想的多維加速度傳感器。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。


圖1是本發(fā)明的一種具體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
根據(jù)圖1詳細說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)和工作過程。該裝置包括帶有快速接頭座2的絕緣子防護罩10、內(nèi)絕緣子11、外引線絕緣子12、外引線1、帶有連接螺紋頭9的殼體8、硅應變片4、鈦合金應力杯5、應力桿6、金屬配重塊7等件。其中殼體8的規(guī)格、型號應根據(jù)實際使用要求確定，可采用金屬材料或其它硬質(zhì)材料制成。殼體8上端封接鈦合金應力杯5，在殼體8空腔內(nèi)裝有金屬配重塊7，金屬配重塊7固接在與應力杯5底部成一體的應力桿6下端。該金屬配重塊7可以通過螺紋連接在應力桿6下端，也可以焊接在應力桿6下端。金屬配重塊7的規(guī)格大小、形狀應根據(jù)汽車安全標準中有關(guān)防碰撞的有效保護要求的氣囊彈出時間，計算出響應時間和所受外力大小等進行確定。應力杯5上部設置與其靜電封接或分子鍵合焊成一體的有惠斯頓電橋的硅應變片4，硅應變片4可采用本發(fā)明人在“硅藍寶石力敏傳感器及其制備方法”(專利號為02132826.9)中的硅藍寶石應變片或其它具有相同性能的硅應變片。硅應變片4上的焊盤通過內(nèi)引線3與固定在絕緣子12上的外引線1相連接。硅應變片4上設置的惠斯頓電橋，由均勻排列在同向、不同應變區(qū)的單晶硅應變電阻組成，該應變電阻由外延生長在藍寶石單晶表面上的薄硅層構(gòu)成。
上述硅藍寶石應變片可以采用以下操作步驟制備將集成電路用硅藍寶石外延薄片，采用離子擴散或離子注入進行離子摻雜；硅藍寶石片進行退火與硅表面氧化，形成致密的SiO2層；按預定方向刻制應變電阻焊盤或觸盤硅窗口(在窗口上去除SiO2層)；掩膜濺射鉑(如采用鋁焊盤，封接后再真空鍍鋁)；劃片；通過靜電或其它分子鍵合將硅藍寶石薄片封到應力杯上。如果是鉑焊盤，就采用700℃的真空下進行靜電封接或銀銅焊接，同時也就進行了鉑與硅的接觸層上的微層合金化，形成良好牢固的結(jié)合與歐姆接觸。如果采用鋁焊盤，封接完硅藍寶石應變片后，還要進行掩膜真空鍍鋁，同時進行硅鋁合金化；以應力杯內(nèi)徑為應力區(qū)，定位，在激光刻蝕機(激光微調(diào)刻阻機)進行實時測量刻阻形成應變電阻，將惠斯頓電橋的四只橋阻按設計要求加工出來，即制成硅藍寶石應變片。
權(quán)利要求
1.一種多維加速度傳感器，包括帶有快速接頭座的絕緣子防護罩、外引線、帶有連接螺紋頭的殼體，其特征在于殼體上端封接鈦合金應力杯，在殼體空腔內(nèi)裝有金屬配重塊，金屬配重塊固接在與應力杯底部成一體的應力桿下端，應力杯上部設置與其靜電封接或分子鍵合焊成一體的有惠斯頓電橋的硅應變片，硅應變片上的焊盤通過內(nèi)引線與固定在絕緣子上的外引線相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多維加速度傳感器，其特征在于金屬配重塊通過螺紋連接或焊接在應力杯的應力桿下端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多維加速度傳感器，其特征在于硅應變片采用硅藍寶石應變片或其它具有相同性能的硅應變片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的多維加速度傳感器，其特征在于硅應變片上設置的惠斯頓電橋，由均勻排列在同向、不同應變區(qū)的單晶硅應變電阻組成，該應變電阻由外延生長在藍寶石單晶表面上的薄硅層構(gòu)成。
全文摘要
一種多維加速度傳感器，包括帶有快速接頭座的絕緣子防護罩、外引線、帶有連接螺紋頭的殼體，其技術(shù)要點是殼體上端封接鈦合金應力杯，在殼體空腔內(nèi)裝有金屬配重塊，金屬配重塊固接在與應力杯底部成一體的應力桿下端，應力杯上部設置與其靜電封接或分子鍵合焊成一體的有惠斯頓電橋的硅應變片，硅應變片上的焊盤通過內(nèi)引線與固定在絕緣子上的外引線相連接。它從根本上克服現(xiàn)有技術(shù)存在的輸出信號不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復雜，成本高，檢測靈敏度低等缺陷，具有結(jié)構(gòu)緊湊，制備工藝簡單，降低成本，過載能力強，標定容易，可實現(xiàn)多維全方位檢測，靈敏度高，性能可靠的優(yōu)點。
文檔編號G01P15/00GK1544951SQ200310105189
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月25日
發(fā)明者段祥照 申請人:沈陽市傳感技術(shù)研究所