借助仿真设计加速度计的传感器

借助仿真设计加速度计的传感器

在高速动力学理论中，速度、力和压力都是基于加速度推导出来的，因此加速度的测量是非常关键的一步。 加速度计内的传感元件用于测量加速度。 随着技术的进步，此类传感器封装需要不断优化，使其能够处理更宽带宽的振动频率。 为了实现这一目标，研究人员测试了传感器封装中的新型压阻传感器芯片。 他们的仿真结果与实验数据高度一致，这为高带宽传感器封装的优化和开发铺平了道路。

开发用于加速度计的高带宽传感器

许多行业都离不开加速度计。 汽车设计人员经常使用这些机电设备来分析安全测试期间的冲击和振动。 消费电子产品开发人员使用它来检测数码相机和平板电脑的方向。

汽车安全测试是加速度计的应用之一。

加速度计中嵌入了传感器封装，用于检测物体加速度的大小和方向。 封装组件决定了加速度计可以精确测量的频率带宽。 例如，现代商业产品的带宽通常为10~20 kHz。 随着现代技术的发展，要测量的频率也在增加，因此传感器必须能够处理更大的带宽。

意识到这一点后，弗劳恩霍夫高速研究所（又名 Ernst-Mach-）的研究团队与德国弗莱堡大学（--ät）合作，选择使用 ® 软件进行设计和分析用于高 G 加速度计的传感器封装。 该设计的核心是新型压阻传感器芯片，能够测量高达 100,000 g 的瞬态加速度。 与当前最先进的传感器相比，压阻传感器的品质因数（灵敏度乘以谐振频率）大约高一个数量级。

使用 ® 设计和分析高 G 加速度计中的传感器封装

首先我们看一下压阻式传感器芯片的设计，它包括：

传感器芯片。 图片由 R.、R. Külls、J、Wilde、S. 和 S. Nau 提供，摘自他们在 2016 年慕尼黑用户大会上发表的论文。

在 中，该芯片配置完全建模为硅 MEMS 器件。

封装方面，将三颗芯片集成到一块陶瓷板上。 三个芯片相互垂直，分别感应x、y和z方向。

传感器及其封装充当复杂的质量弹簧系统。 板因加速度而弯曲，导致压阻元件拉伸和压缩，从而导致电阻变化。

完整的传感器套件。 图片由 R.、R. Külls、J、Wilde、S. 和 S. Nau 提供，摘自他们在 2016 年慕尼黑用户大会上发表的论文。

研究人员测试了几种传感器封装设计，但本文仅关注一种特定情况。 该传感器封装的几何形状如下所示，研究人员将其通过™®导入到®中。

每种颜色代表：

传感器封装设计示例，盖子抬起 (a) 及其展开视图 (b)。 图片由 R.、R. Külls、J、Wilde、S. 和 S. Nau 提供，摘自他们在 2016 年慕尼黑用户大会上发表的论文。

为了分析特定频率范围内的传感器性能，研究人员使用了两种方法：

对系统进行模态分析

模拟传感器在 0 至 250 kHz 频率范围内承受振荡加速度负载

第一种方法提供谐振频率的值和模态形状，而第二种方法描述传感器封装中组件的应力和位移。 根据这一信息，可以确定压阻电桥的相对电阻并计算传感器芯片的输出信号。

评估模拟结果

本文的仿真结果基于传感器封装的以下设计参数：

下图显示了0~250 kHz频率范围内的传感器输出信号。 需要说明的是，这里计算的是100,000g加速度、1V电源电压下的输出信号。 此外，假设传感器灵敏度的最大变化为 5%。

不同激励频率下传感器的输出信号。 左图显示了整个频谱，右图显示了 0 至 100 kHz 范围的特写。 图片由 R.、R. Külls、J、Wilde、S. 和 S. Nau 提供，摘自他们在 2016 年慕尼黑用户大会上发表的论文。

从左图可以看出，曲线的变化最初是平坦的，直到130 kHz出现波动。 然而，仔细观察右侧的特写图像，灵敏度在较低频率下也会发生变化。 传感器封装的潜在带宽为 47 kHz，最大灵敏度变化为 5%。

我们还分析了传感器封装的模式，特别是频谱中的峰值模式。 如右上图所示，第一种模式，即“覆盖模式”，发生在高达 39 kHz 的频率处，对灵敏度影响很小。 上左图中，除了上限振荡外，第一种模式，即“封装模式”出现在频率为处，这对输出信号有显着影响。

左：第一个覆盖模式，在 z 方向振动。 右图：第一种封装模式，沿 y 方向振荡。 图片由 R.、R. Külls、J、Wilde、S. 和 S. Nau 提供，摘自他们在 2016 年慕尼黑用户大会上发表的论文。

根据模态分析，我们观察到另一个频率为 287 kHz 的振荡。 作为传感器元件位移的主要原因，这种模式预计对传感器信号的影响最大。 为了验证这一假设，研究人员进行了实验测试。

传感器元件内的主要位移模式。 图片由 R.、R. Külls、J、Wilde、S. 和 S. Nau 提供，摘自他们在 2016 年慕尼黑用户大会上发表的论文。

参考实验数据验证结果

在模拟研究转化为实验的阶段，研究人员使用了以下参数。 出于实际原因，这些参数与模型采用的参数略有不同。

另一项模拟研究已经预先确定了预期频率的范围：

在实验中，研究人员使用小玻璃锤刺激传感器，使其发生振荡，以测量特征频率。 他们使用 10 MHz 作为采样频率来记录传感器的脉冲响应。

传感器对振荡的脉冲响应。 图片由 R.、R. Külls、J、Wilde、S. 和 S. Nau 提供，摘自他们在 2016 年慕尼黑用户大会上发表的论文。

为了检查相关频率下的脉冲响应，信号被转换到频域。 如下图所示，在较高频段出现多个峰值。 930 kHz 处的最高峰值代表现实世界传感器芯片的一阶特征频率。 较低频率约为 70 kHz，是激励脉冲的一部分。

左：频率范围 0~2 MHz 内的传感器脉冲响应。 右：传感器在0~350 kHz范围内的脉冲响应。 图片由 R.、R. Külls、J、Wilde、S. 和 S. Nau 提供，摘自他们在 2016 年慕尼黑用户大会上发表的论文。

有趣的是对应于 153 kHz 的峰值。 它对应于传感器元件在129~之间的振荡。 这一发现有力地支持了振荡对传感元件影响最大的推论。

在灵敏度分析中，各轴施加8600g的加速度。 我们使用钛霍普金森压力杆来产生冲击载荷。 杆上的附加装置可确保负载均匀分布在每个传感器轴上。

霍普金森杆的附加组件。 图片由 R.、R. Külls、J、Wilde、S. 和 S. Nau 提供，摘自他们在 2016 年慕尼黑用户大会上发表的论文。

下图中的输出信号测量用于计算不同轴的灵敏度。 预期灵敏度为 1.3 µV/V/g，潜在最大偏差为 30%。 灵敏度的最大偏差发生在 x 轴上（约 23%），而其他轴的偏差率相对较低。 注意，所有传感器芯片的偏差值都落在这个范围内。

施加 8600 g 加速度时的输出信号测量结果。 图片由 R.、R. Külls、J、Wilde、S. 和 S. Nau 提供，摘自他们在 2016 年慕尼黑用户大会上发表的论文。

上述研究结果与仿真结果的预期值非常吻合，进一步证明该传感器封装设计适用于高G值加速度计。