低量程加速度傳感器的製作方法
2023-05-01 21:11:16 2
專利名稱：低量程加速度傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種加速度傳感器，特別是涉及一種使用加速度計與專用ASIC電路晶片組合而成的具有抗高衝擊與惡劣環境的低量程加速度傳感器。
背景技術：
目前國內國際上製造的高精度加速度計，根據敏感信號方式可分為電容式、半導體壓阻式、電感式和壓電式加速度計，價格昂貴，體積龐大，除軍事領域外，其他行業很少問津。隨著美國、歐共體矽微加工技術的應用，開發出了新一代的微機械加速度計(micro-mechanicalaccelerometer MMA)，其體積小、價格低、重量輕，可形成批量化生產規模，拓寬了加速度計的應用領域。現有的加速度計產品主要是採用機械或矽材料設計。
現有加速度計的結構是由一個質量塊與4個用體矽工藝腐蝕形成的支撐梁部分組成，4個支撐梁中的每一個梁上都含有2個擴散電阻，它們互相連接，形成一個惠斯登電橋，當加速度計承受一個加速度時，支撐梁將上下移動，導致4個電阻的電阻值增加，其餘4個電阻的電阻值減少，形成一個與電源電壓成比例的電壓變化輸出信號，從而進行加速度值的測量。
傳統的電路連接方法是加速度計的6腳連接3V電源，10、11、12腳接地，2腳為信號輸出，其它腳懸空。加速度計的上述連接方法沒有設計專用的信號變換放大電路，沒有對電路進行濾波處理，也沒有實施飽和控制與溫度補償措施，導致加速度計的線性度一般僅在1％左右，工作時溫度漂移大，工作溫度範圍窄，不能適應惡劣環境下的工作。而且每個加速度計的輸出腳是用飛線與處理電路板直接連接，電磁兼容性差，容易受幹擾，輸出信號不穩定。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種精度高，溫度漂移小，環境適應性強的測量加速度範圍＜±50g的低量程加速度傳感器。
本實用新型的低量程加速度傳感器是由加速度計M1與專用ASIC電路組成，專用ASIC電路具體由電源電路、電橋放大電路、溫度補償電路、濾波電路、飽和控制電路及輸入輸出接口構成。
電源電路二極體D1的陽極連接外接+15V直流電源，電解電容C1與電容C2並聯後，正端連接二極體D1的陰極，負端接地；電阻R1一端連接電解電容C1的正端，另一端與電阻R3和穩壓管W1的陰極相連，穩壓管W1的陽極接地；電阻R3的另一端連接到運算放大器U1(op27)的3腳，運算放大器U1的2腳連接電阻R2、R4，電阻R2的另一端接地，電阻R4的另一端與運算放大器U1的6腳相連；運算放大器U1的6腳與電解電容C5的正端相連，並輸出到加速度計M1的6腳；電解電容C5的負端接地。
電橋放大電路二極體D1的陰極分別連接到運算放大器U1、U2(AD620)的7腳和U3(LM124)的4腳，二極體D2的陰極連接外接-15V直流電源，陽極連接到運算放大器U1、U2的4腳；電解電容C3並聯電容C4後，正端接地，負端與運算放大器U2的4腳相連；加速度計M1的5腳連接電阻R6後接到運算放大器U2的2腳，2腳連接電阻R5後接到運算放大器U2的3腳；在運算放大器U2的1、8腳之間連接有電阻R7，運算放大器U3的11腳接地。
溫度補償電路穩壓管W1的陰極連接電阻R9，電阻R9的另一端分別與電阻R10、運算放大器U3的3腳相連，電阻R10的另一端接地；運算放大器U3的1、2腳相連後連接到運算放大器U2的5腳。
濾波電路電容C6一端連接運算放大器U2的3腳，另一端接地，電阻R5和電容C6共同組成濾波電路；電容C10與穩壓管W2並聯，穩壓管W2的陽極接地，陰極連接電阻R8後接入運算放大器U2的6腳，穩壓管W2的陰極連接輸入輸出接口；加速度計M1的4、5腳之間連接有電容C8，5、6腳之間連接有電容C7，2、3腳之間連接有電容C9，1、4、10、11、12腳接地，其它腳懸空。通過以上電路能夠有效地濾除帶外雜波。
飽和控制電路電阻R8和穩壓管W2共同組成輸出保護電路，保護後級電路不受損壞，也能避免後級電路竄繞信號對傳感器的損壞。
本低量程加速度傳感器的加速度計採用最新MEMS技術與微電子技術成果研製而成，信號調理電路由專用ASIC電路來完成，具體是由電源電路、高精度電橋放大電路、溫度補償電路、濾波電路、飽和控制電路及輸入輸出接口構成。加速度傳感器的整體結構緊湊，一致性和電磁兼容性好，不易受幹擾，輸出信號穩定，易於實現批量化生產。
本實用新型在信號調理電路中採用了數字補償技術，使得加速度傳感器能夠在較大的溫度範圍內具有小的溫度漂移，全溫度範圍內只有90ppm/℃。本實用新型還對加速度傳感器進行了模擬線性化處理，對電路進行了濾波處理和實施了輸出飽和控制，進一步提高了加速度傳感器的精度，使其線性度≤0.5％，具有抗高衝擊的性能以及適應在惡劣環境下工作的能力。
圖1是低量程加速度傳感器的原理框圖；圖2是低量程加速度傳感器的電路圖。
具體實施方式
本實用新型的低量程加速度傳感器是由加速度計M1與信號調理電路組成的，信號調理電路由專用ASIC電路組成，具體由電源電路、電橋放大電路、溫度補償電路、濾波電路、飽和控制電路及輸入輸出接口構成。
其中電源電路由二極體D1，電容C1、C2、C5，電阻R1、R2、R3、R4，穩壓管W1和運算放大器U1(op27)組成，二極體D1的陽極連接外接+15V直流電源，電解電容C1與電容C2並聯後，正端連接二極體D1的陰極，負端接地，電阻R1一端連接電解電容C1的正端，另一端與電阻R3和穩壓管W1的陰極相連，穩壓管W1的陽極接地，電阻R3的另一端連接到運算放大器U1的3腳，運算放大器U1的2腳連接電阻R2、R4，電阻R2的另一端接地，電阻R4的另一端與運算放大器U1的6腳相連，運算放大器U1的6腳與電解電容C5的正端相連，並輸出到加速度計M1的6腳，電解電容C5的負端接地。
電橋放大電路由運算放大器U2(AD620)、U3(LM124)，二極體D2，電容C3、C4，電阻R5、R6、R7組成，二極體D1的陰極分別連接到運算放大器U1、U2的7腳和U3的4腳，二極體D2的陰極連接外接-15V直流電源，陽極連接到運算放大器U1、U2的4腳，電解電容C3並聯電容C4後，正端接地，負端與運算放大器U2的4腳相連，加速度計M1的5腳連接電阻R6後接到運算放大器U2的2腳，2腳連接電阻R5後接到運算放大器U2的3腳，在運算放大器U2的1、8腳之間連接有電阻R7，運算放大器U3的11腳接地。
溫度補償電路由電阻R9、R10組成，穩壓管W1的陰極連接電阻R9，電阻R9的另一端分別與電阻R10、運算放大器U3的3腳相連，電阻R10的另一端接地，運算放大器U3的1、2腳相連後連接到運算放大器U2的5腳。
濾波電路由電容C6、C7、C8、C9、C10，電阻R8，穩壓管W2組成，電容C6一端連接運算放大器U2的3腳，另一端接地，電阻R5和電容C6共同組成濾波電路，電容C10與穩壓管W2並聯，穩壓管W2的陽極接地，陰極連接電阻R8後接入運算放大器U2的6腳，穩壓管W2的陰極連接輸入輸出接口，加速度計M1的4、5腳之間連接有電容C8，5、6腳之間連接有電容C7，2、3腳之間連接有電容C9，1、4、10、11、12腳接地，其它腳懸空。通過以上電路能夠有效地濾除帶外雜波。
飽和控制電路電阻R8和穩壓管W2共同組成輸出保護電路，保護後級電路不受損壞，也能避免後級電路竄繞信號對傳感器的損壞。
權利要求1.一種低量程加速度傳感器，由加速度計M1與專用ASIC電路組成，專用ASIC電路具體由電源電路、電橋放大電路、溫度補償電路、濾波電路、飽和控制電路及輸入輸出接口構成，電源電路二極體D1的陽極連接外接+15V直流電源，電解電容C1與電容C2並聯後，正端連接二極體D1的陰極，負端接地，電阻R1一端連接電解電容C1的正端，另一端與電阻R3和穩壓管W1的陰極相連，穩壓管W1的陽極接地，電阻R3的另一端連接到運算放大器U1的3腳，運算放大器U1的2腳連接電阻R2、R4，電阻R2的另一端接地，電阻R4的另一端與運算放大器U1的6腳相連，運算放大器U1的6腳與電解電容C5的正端相連，並輸出到加速度計M1的6腳，電解電容C5的負端接地；電橋放大電路二極體D1的陰極分別連接到運算放大器U1、U2的7腳和U3的4腳，二極體D2的陰極連接外接-15V直流電源，陽極連接到運算放大器U1、U2的4腳，電解電容C3並聯電容C4後，正端接地，負端與運算放大器U2的4腳相連，加速度計M1的5腳連接電阻R6後接到運算放大器U2的2腳，2腳連接電阻R5後接到運算放大器U2的3腳，在運算放大器U2的1、8腳之間連接有電阻R7，運算放大器U3的11腳接地；溫度補償電路穩壓管W1的陰極連接電阻R9，電阻R9的另一端分別與電阻R10、運算放大器U3的3腳相連，電阻R10的另一端接地，運算放大器U3的1、2腳相連後連接到運算放大器U2的5腳；濾波電路電容C6一端連接運算放大器U2的3腳，另一端接地，電阻R5和電容C6共同組成濾波電路，電容C10與穩壓管W2並聯，穩壓管W2的陽極接地，陰極連接電阻R8後接入運算放大器U2的6腳，穩壓管W2的陰極連接輸入輸出接口，加速度計M1的4、5腳之間連接有電容C8，5、6腳之間連接有電容C7，2、3腳之間連接有電容C9，1、4、10、11、12腳接地，其它腳懸空；飽和控制電路電阻R8和穩壓管W2共同組成輸出保護電路。
專利摘要一種由加速度計與專用ASIC電路組合而成的低量程加速度傳感器，測量加速度範圍＜±50g。加速度計採用MEMS技術與微電子技術研製而成，專用ASIC電路由電源電路、電橋放大電路、溫度補償電路、濾波電路、飽和控制電路及輸入輸出接口構成。加速度傳感器的整體結構緊湊，一致性好，易於實現批量化生產。本實用新型還具有精度高，溫度漂移小，不易受幹擾，輸出信號穩定，抗衝擊性、環境適應性強的性能。
文檔編號G01P15/00GK2662251SQ20032011184
公開日2004年12月8日 申請日期2003年12月31日 優先權日2003年12月31日
發明者李永紅, 閻貴平, 王敬文, 張保寧, 劉國忠, 侯興輝 申請人:山西科泰微技術有限公司