УДК 621.586.32; 621.396
ПАНКРАТОВ О.В., ПОГАЛОВ А.И., ШЕЛЕПИН Н.А.
МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА
МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ
ГНЦ РФ НПК Технологический Центр, 104398, Москва, МИЭТ, тел.: (095) 5329926,
fax: (095) 9132192, e-mail: pankratv@techenzgrad.su
Для измерения постоянных, переменных и импульсных ускорений в системах
ориентации, контроля параметров движения, вибродиагностики технических
устройств при оценке их надежности применяют датчики ускорения, которые в
соответствии со стандартами ИСО называют акселерометрами. Наибольшее
распространение получили пьезорезистивные акселерометры.
Механическая система акселерометра, как правило, состоит из рамки, внутри
которой располагается сенсорный элемент - инерционная масса, подвешенная к
рамке по консольной или мостовой схеме при помощи упругих балок
прямоугольного поперечного сечения.
Аналитическая модель акселерометра может быть представлена как система,
состоящая из массы m, опирающейся на линейную пружину жесткостью k и
связанной с вязкостным демпфером, имеющим демпфирование . Приравнивая
внутренние силы инерции, демпфирования, упругости и внешние силы возбуждения
P(t), получаем математическую модель поведения системы во временной области
m x ( t ) + m x ( t ) + kx ( t ) = P ( t ).
Для описания поведения акселерометра в частотной области использовали
модель с пространственными параметрами. Частотная характеристика податливости
() представляет собой отношение выходного и входного спектров и изменяется в
зависимости от круговой частоты
( ) = X ( ) / P ( ) = 1 /(
2
k + j - m ),
где X() - спектр перемещений; P() - спектр воздуждения; (k + j - 2m) -
комплексная динамическая жесткость.
Статическое смещение определяется только жесткостью пружины, а реакция
системы на низких частотах находится в фазе в силой возбуждения. С увеличением

частоты возрастающее влияние оказывает сила инерции При круговой частоте
собственных незатухающих колебаний
=
k / m
0
реакция системы определяется демпфированием, поскольку составляющие,
соответствующие массе и пружине взаимно уравновешиваются. При этом
податливость системы увеличивается, а реакция системы отстает от силы
возбуждения на фазовый угол Ф = 900. При частотах выше собственной частоты
колебаний система ведет себя как чистая масса, ее податливость уменьшается и
реакция отстает от силы возбуждения на Ф = 1800.
В НПК Технологический центр с использованием аналитических и
численных методов моделирования и динамического анализа разработан и
изготовлен в опытном производстве ряд микроэлектронных пьезорезистивных
акселерометров.
а)
б)
Рис.1
Микроакселерометры с консольной (а) и мостовой (б) схемами подвеса инерционной массы.
На
рис.1,а
представлена
фотография
экспериментального
образца
акселерометра с консольным подвесом инерционной массы на четырех упругих
балках. Размеры кристалла акселерометра составляют 8,0 2,5 0,44мм.
Инерционная масса около 2 мг ограничена четырьмя (111) плоскостями, а балки
размером 600х20х12 мкм расположены вдоль направления {110}.
На рис.1,б. представлена конструкция экспериментального образца с мостовой
схемой подвеса инерционной массы симметричного типа на четырех упругих
балках. Размеры кристалла 5,8х5,2х0,44мм Кремниевая инерционная масса около
2,8мг подвешена к основанию в виде прямоугольной рамки на четырех кремниевых
балках размером 600х160мкм и толщиной 10-15 мкм. По периферийной области

основания расположены контактные площадки, соединенные с пьезорезисторами и
обеспечивающие возможность электрического контактирования с внешними
Для формирования полной мостовой схемы на каждой балке акселерометров
сформированы пьезорезисторы р-типа проводимости. Технологические зазоры,
образованные между инерционной массой и крышками корпуса , играют роль
воздушного демпфера.
Чувствительность микроакселерометра с консольной схемой подвеса
инерционной массы составляет 1,9 мВ/g при напряжении питания 9В, рабочий
диапазон частот от 0 до 400 Гц. Резонансная частота акселерометра около 1200 Гц.
Микроакселерометр с мостовой схемой подвеса инерционной массы имеет
чувствительность 0,54 мВ/g при напряжении питания 9В. Рабочий диапазон частот
от 0 до 900Гц, резонансная частота - около 2900Гц. Технические возможности
акселерометра характеризуются величиной показателя качества
2
Q = Sf , который
0
равен Q = 4,54 103 ВГц2/g. Порог чувствительности не хуже 10-4g, температурный
диапазон -40...+1000С, нелинейность менее 0,2%. На рис.2 приведена амплитудно-
частотная характеристика микроакселерометра.
Рис.8.
Амплитудно частотная характеристика микроакселерометра с мостовой
схемой подвеса инерционной массы
Экспериментальные исследования динамических и метрологических
характеристик акселерометров имеют высокую сходимость с аналитическими и
конечно-элементными моделями.