Yongle Lu;Zhen Qu;Jie Yang;Wenxin Wang;Wenbo Wang;Yu Liu
Journal of Information Processing Systems
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제19권2호
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pp.173-188
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2023
To improve the shock-resistance of piezoresistive high-g accelerometer, we propose a design of piezoresistive high-g accelerometer. The accelerometer employs special-shaped proof masses system with a cross gap. Four tiny sensing beams are bonded above the cross gap. The expression of the deformation, natural frequency and damping is deduced, and the structural parameters are optimized. The accelerometer structure is simulated and verified by finite element method (FEM) simulation. The results show that the range of the accelerometer can reach 200,000 g, the natural frequency is 453.6 kHz, and the cross-axis sensitivity of X-axis and Y-axis is 0.25% and 0.11%, respectively, which can apply to the measurement of high shock. Contrastively, the cross-axis sensitivity of X-axis and Y-axis is respectively, reduced by 93.2% and 96.9%. The sensitivity of our accelerometer is 0.88 μV/g. It is of great value for the application of piezoresistive high-g accelerometer with high shock-resistance.
In this paper, a silicon piezoresistive accelerometer is designed and fabricated using a silicon direct bonded wafer. The accelerometer consists of a seismic mass and four cantilevers, and is fabricated mainly by the anisotropic etching method using EPW as an etchant. The measured sensitivity and the resonant frequency are 0.02 mV/V.g and 3.4 kHz, respectively. The nonlinearity is less than $\pm$0.3% of the full scale of the output.
A micromachined silicon accelerometer capable of surviving and detecting very high accelerations(up to 200,000 times the gravitational acceleration) is necessary for a high impact accelerometer for earth-penetration weapons applications. We adopted as a reference model a piezoresistive type silicon micromachined high-shock accelerometer with a bonded hinge structure and performed structural analyses such as stress, modal, and transient dynamic responses and sensor sensitivity simulation for the selected device using piezoresistive-structural coupled-field analysis. In addition, structural optimization was introduced to improve the performances of the accelerometer against the initial design of the reference model. The design objective here was to maximize the sensor sensitivity subject to a set of design constraints on the impact endurance of the structure, dynamic characteristics, the fundamental frequency and the transverse sensitivities by changing the dimensions of the width, sensing beams, and hinges which have significant effects on the performances. Through the optimization, we could increase the sensor sensitivity by more than 70% from the initial value of $0.267{\mu}V/G$ satisfying all the imposed design constraints. The suggested simulation and optimization have been proved very successful to design high impact microaccelerometers and therefore can be easily applied to develop and improve other piezoresistive type sensors and actuators.
In this paper, a silicon piezoresistive accelerometer of which the cantilevers have uniform thickness is designed and fabricated with SOI wafer. The accelerometer consists of a seismic mass and four cantilevers, and is fabricated mainly by the anisotropic etching method using EPW etchant. The fabrication processes are that of the frontside processes including the etching of the cantilevers and the doubleside alignment holes, the diffusion of the piezoresisters and patterning of the contact windows, and the metal connection process, and that of the backside processes including the etching of the shallow cavity and the seismic mass. Because of the uniformity of thickness, the performance of the accelerometer fabricated with SOI wafer is expected to be better than that of accelerometer fabricated by the time-controlled etching method.
This paper presents the fabrication and testing of a polysilicon piezoresistive accelerometer with p+ silicon diaphragm by simple process such as two step photolithography for the RIE process to form the cantilevers and a deep anisotropic etch process for the complete fabrication of the accelerometer. The fabricated accelerometer consists of a seismic mass and four cantilevers on which polysilicon piezoresistors are formed. The measurement of the output signal from the bridge circuit of the fabricated accelerometer is carried out with the HP 3582A spectrum analyzer. The analysis of the experimental result is showed in terms of the sensitivity and the resonant frequency. At atmospheric condition, the measurement values of the sensitivity and the resonant frequency are $11\;{\mu}V/Vg$ and 475 Hz, respectively.
본 논문은 자동차용 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS)의 핵심 부품인 가속도센서에 관한 연구이다. 일반적으로 압저항형 가속도센서는 정전용량형 가속도센서에 비하여 제조 비용이 적고 출력 특성이 선형적이며 주변 잡음에 면역성이 강한 장점을 갖는다. 그래서 TPMS용으로 압저항형을 선택하였고, ANSYS 프로그램을 이용하여 3가지 타입의 구조를 설계하여 공진주파수 특성을 비교하여 가장 안정적인 구조인 질량체 가장자리의 가운데에 있는 4개의 빔에 의하여 지지되는 브릿지 타입의 실리콘압저항형 가속도센서를 선택하였다. 그리고 센서 크기를 고려하여 빔의 길이는 $200{\mu}m$로 정하였으며, 빔 길이에 따른 최대응력과 최대변위를 시뮬레이션하여 센서를 설계하였다. TPMS용 4 빔 실리콘 미세 압저항형 가속도센서의 크기는 $3.0mm{\times}3.0mm{\times}0.4mm$의 크기로 제작 되었다. 휠 각도에 따른 출력 특성과 온도 특성을 측정하여 센서의 특성을 분석 하였다. 그 결과 가속도센서의 옵셋 전압은 43.2 mV 이고 감도는 $42.5{\mu}V/V/g$ 이다. 센서의 특징으로 내충격성은 1500 g 이고, 측정 범위는 0 ~ 60 g, 사용온도는 $-40^{\circ}C{\sim}125^{\circ}C$ 를 갖는다.
본 논문에서는 $2mm{\times}2mm$ 크기를 가지며 빔의 위치가 다른 2가지 종류의 압저항형 가속도 센서를 설계하고 제작하여 감도 특성과 온도에 따른 옵셋 특성을 측정하고 비교하였다. 4빔 스프링 구조와 8빔 스프링 구조를 가지는 압저항형 가속도센서를 제작 하였으며, ANSYS 프로그램을 이용하여 공진주파수 특성과 스트레스 분포도를 분석하고 제작하였다. 제작된 가속도센서의 감도와 온도에 따른 옵셋 특성을 측정하고 서로 비교하였다. 감도는 4빔 스프링 구조가 $21.38{\mu}V/V/g$으로 더 우수한 특성을 보였으며 온도에 따른 옵셋 출력 전압은 4빔 스프링 구조가 $154.45ppm/^{\circ}C$으로 더 작게 변화하였다.
In this study, a silicon piezoresistive accelerometer is designed and fabricated using $p^+$ etch stop layer. The accelerometer consists of a seismic mass and tour cantilevers, and is fabricated mainly by the anisotropic etching method using EPW as an etchant. Eight piezoresistors are properly arranged and connected to make a bridge circuit so that acceleration in only one direction may be measured. The etch stop method is adequate to the mass-production and the precise thickness control of the diaphragms as well, whet compared with the electrochemecal etch stop method.
In this paper, we propose the new detecting method for three dimensional piezoresistive silicon accelerometer. Furthermore the accelerometer is formed to have endurance for high temperature by perfect isolation of the piezoresistors using Silicon On Insulator(SOI) wafer. Sensor size are optimized with analytical formulae and extended with FEM simulation for the more detailed results. The accelerometer was fabricated by bulk micromachining techonology. We measured the temperature characteristics and the output characteristics, and the both characteristics were compared with the simulated results
A piezoresistive silicon resonator which can be used as an accelerometer is designed and fabricated using silicon micromachining techniques. The device consists of a seismic mass and four deflection beams in which eight piezoresistors are diffused. The structure is fabricated by EPW etching process. The piezoresistors are properly arranged and connected to make a bridge circuit, with which acceleration in only one direction can be measured. According to the experimental results, the first resonant frequency of this resonator is above 15 kHz, and this transducer has a sensitivity of 5.56 ${\mu}V/Vg$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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