微加速度计原理与应用

微加速度计原理与应用

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在20 世纪40 年代初，由德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来，由于航天、航空和航海领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，性能和精度也有了很大的完善和提高。加速度计面世后作为最重要的惯性仪表之一，用在惯性导航和惯性制导系统中，与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起。这时候的加速度计整个都很昂贵，使其他领域对它很少问津。

直到微机械加速度计的问世，这种状况才发生了改变。随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功，应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计就是惯性传感器件的杰出代表。

微加速度计的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。结合陀螺仪（用来测角速度），就可以对物体进行精确定位。根据这一原理，人们很早就利用加速度计和陀螺进行轮船，飞机和航天器的导航，近年来，人们又把这项技术用于汽车的自动驾驶和导弹的制导。汽车

工业的迅速发展又给加速度计找到了新的应用领域，汽车的防撞气囊就是利用加速度计来控制的。微加速度计的工作原理

微加速度计的结构模型如图所示：它采用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应加速度。图中只画出了一个基本单元。它是利用比较成熟的硅加工工艺在硅片内形成的立体结构。图中的质量块是微加速度计的执行器，与质量块相连的是可动臂；与可动臂相对的是固定臂。可动臂和固定臂形成了电容结构，作为微加速度计的感应器。其中的弹簧并非真正的弹簧，而是由硅材料经过立体加工形成的一种力学结构，它在加速度计中的作用相当于弹簧。当加速度计连同外界物体（该物体的加速度就是待测的加速度）一起加速运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制。显然该位移与外界加速度具有一一对应的关系：外界加速度固定时，质量块具有确定的位移；外界加速度变化时（只要变化不是很快），质量块的位移也发生相应的变化。另一方面，当质量块的发生位移时，可动臂和固定臂（即感应器）之间的电容就会发生相应的变化；如果测得感应器输出电压的变化，就等同于测得了执行器（质量块）的位移。既然执行器的位移与待测加速度具有确定的一一对应关系，那么输出电压与外界加速度也就有了确

定的关系，即通过输出电压就能测得外界加速度。

（a）执行器的力学结构示意图，（b）感应器的电学原理图。具体地说，以Vm表示输入电压信号，Vs表示输出电压，Cs1与Cs2分别表示固定臂与可动臂之间的两个电容（见图6），则输入信号和输出信号之间的关系可表示为：微加速度计的发展

微加速度计是微机电系统领域研究最早的器件之一。早在1979年Roylance和Angell就开始了微机械压阻式加速度计的研制，随后各种结构的压阻式加速度计相继出现，并且增加了自检功能和集成CMOS电路，测量方向也从单轴逐渐向多轴集成测量发展。另外，多轴单片集成加速度仍然是微机电加速度计研究的热点，自从Takao和Lemkin分别于1997年提出了采用体硅工艺和表面工艺的三轴集成检测方法以来，在单片三轴集成方面国外陆续做了不少的研究，但目前尚未有商业化产品。鉴于惯性器件所具有的优点，现已研制出大量的振动惯性器件及二次仪表，例如微型惯性测量组合。由于微型惯性测量组合主要用于军事场合，涉及国家安全的领域，可见的报道较少，美国Draper实验室的微型惯性测量组合采用三个微硅陀螺、三个微硅加速计和附加电子电路构成的MIMU．使研究把加速度计和陀螺仪集成在一个单芯片上，减小微型惯性测量组合的耦合误差，缩小体积，提高其综合性能。目前，微加速度计的研究主要集中在硅

材料范围，然而由于硅压敏材料的压阻效应受温度影响较大，一定程度上限制了其灵敏度的提高，所以有待于寻找一种新的材料来突破硅微机电器件的极限，而GaAs 材料最有可能成为硅的替代材料，因为它具有一些比硅更加优越的特性[3]，研究表明GaAs 材料不仅具有很好的力学特性和电学特性，而且基于GaAs 压阻薄膜具有较高的压阻灵敏度，因此结合GaAs 材料特性的表面微加工技术和体微加工技术、有望制造出具有较高灵敏度、线性度等特性的微加速度计结构。微加速度计的主要种类

微机械加速度计以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础，将电子原件和机械原件集成在一块芯片上，具有体积小、质量轻、成本低、能耗低、集成度高等一系列的优点。微加速度计的种类较多，主要如下：1、按照质量的运动方式来划分的微机械加速度计分类如下：

2、按照检测质量的支承方式来划分的为机械加速度计分类如下：

3、按照信号检测的方式来划分的为机械加速度计分类如下：

4、按照控制方式来划分的为机械加速度计分类如下：

5、按照加工工艺来划分的为机械加速度计分类如下：

6、按照结构形式划分的微机械加速度计分类如下：

7、按照材料划分的微机械加速度计分类如下：

8、按照敏感轴的数量划分的微机械加速度计分类如下：

几种典型的微加速度计比较

压阻式压阻式加速度传感器通常采用压敏电阻作为敏感元件。压敏电阻的电阻率变化与质量块的位移有关。其工作原理是将被测加速度转换为硅材料的电阻率变化来进行加速度的测量。首次报道的微加速度传感器为压阻式，其示意图如图所示。最先商业化的微加速度传感器也为压阻式。

压阻式加速度传感器的结构通常很简单，加工工艺与IC 技术兼容，具有良好的直流响应特性。但是灵敏度很小(在20～50g 量程下约为1～2mV/g) ，温度效应严重，动态范围有限。电容式电容式加速度传感器的敏感元件为固定电极和可动电极之间的电容器，是目前研究最多的一类加速度传感器，一般采用悬臂梁、固支梁或挠性轴结构，支撑一个当作电容动板电极的质量块，质量块与一个固定极板构成一个平板电容。其工作原理是在外部加速度作用下，校验质量块产生位移，这样就会改变质量块和电极之间的电容，将这种变化量用外围电路检测出来就可测量加速度的大小。一种电容式微加速度传感器的示意图如图所示。

电容式加速度传感器有许多优点，比如高灵敏度、良好的直流响应特性、低温度效应和低功率耗散。但是，由于传感器输出的高阻抗，电容式加速度传感器易受电磁干扰影响。压电式压电式加速度传感器的敏感元件是压电材料，压电材料直接将作用于质量块的力转换为电信号。压电式微加速度