惯性测量仪器及原理简介(4)

目录
1.MEMS加速度计分类 2.压阻式加速度计原理 3.电容式加速度计原理
4.隧道式加速度计原理
5.热加速度计原理
4. 隧道式加速度计原理
隧道式加速度计利用隧道效应制成。隧道效应就是平板电极和隧道针尖电极距离达到一定的 条件，可以产生隧道电流。 隧道式微加速度计常用悬臂梁或者双端固支梁支撑惯性质量块，质量块在惯性力的作用下，位置 将发生偏移，这个偏移量直接影响到隧道电流的变化，通过检测隧道电流变化量来间接检测加速 度值。 由J.G.Simmons 推导的隧道电流和针尖与下电极之间的距离关系可以描述为 其中，V为施加在电极两端的电压；α为有效势垒高度；x 为电极间隙；k为常数。

扭摆式微加速度计的敏感单元是不对称质量平板，通过扭转轴与基座相连，基座上表面布置 有固定电极，敏感平板下表面有相应的运动电极，形成检测电容(如图3) 。当有加速度作用时， 不对称平板在惯性力作用下，将发生绕扭转轴的转动。转动角与加速度成比例关系，可用下式表 示：maL=K θ。式中，a 为输入加速度；L 为质量平板质心到支撑轴转动中心的距离；K 为支撑 轴的扭转刚度系数；θ为平板的扭转角。利用3.0节中公式，以及电极距离d和梁转动的角度θ之间 的几何关系，即可计算得到加速度。
4. 隧道式加速度计原理
优点： 极高的灵敏度 易检测


线性度好
抗干扰能力强 可靠性高 由于隧道针尖制作比较复杂，所以其工艺比较困难，市面上少有实品。
缺点：
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4.隧道式加速度计原理
5.热加速度计原理
谢谢！
x
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，则输入信号和输出信号之间的关系可表示为： 其中电容与位移之间的关系由电容的定义给出：
其中x是可动臂的位移，d是没有加速度时固定臂与悬臂之间的距离。 由上两式可得 根据力学原理，稳定情况下质量块的力学方程为： 因此，外界加速度与输出电压的关系为： k为弹簧的劲度系数，m为质量块质量。
隧道电流型加速度计 热加速度计
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4.隧道式加速度计原理
5.热加速度计原理
2.压阻式加速度计原理
当有加速度输入时，悬臂梁在质量块受到的惯性力牵引下发生变形，导致固连的压阻膜也随 之发生变形，其电阻值就会由于压阻效应而发生变化，导致压阻两端的检测电压值发生变化，从 而可以通过确定的数学模型推导出输入加速度与输出电压值的关系。 优点：
5. 热加速度计原理
热加速度计基于热交换原理，介质是气体。如图所 示，热源处于硅片的中央，硅片悬在空穴之间。在热源 的四周均匀分布有电热耦堆（铝/多晶硅）。 在没有加速度的情况下，热源的温度梯度均匀分布， 对四周的热电耦而言，温度是一样的，输出的电压也是 一样的。当有加速度时，温度分布平衡被打破，输出的 电压也随之改变。热电耦输出的电压差和加速度成正比。
且通过把若干极板并联，提高了分辨率。
缺点： 易受电磁干扰。
3.3 三明治式电容加速度计
三明治式电容加速度计又称悬臂梁式电容加速度计(CMSA),是一种夹层结构的MEMS加速度 计，因动极板夹在两个定极板之间，形似三明治而得名。

原理：中间硅摆片敏感质量的两边利用电镀技术构成电极，与相对应的两边的定电极构成差 动电极。当质量块受加速度而运动时，产生相对位移，从而差动电容发生变化，通过检测输出电 压，以及3.0中公式即可获得测量加速度值。
结构简单，
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3.电容式加速度计原理
电容式加速度计主要有三种结构：跷跷板摆式加速度计、梳齿式电容加速度计和三明治式电容 加速度计。
3.0 差动电容计算加速度
各种电容式加速度计，大都利用差动电容来测量加速度，其原理公式推导如下：
可见，在加速度计的结构和输入电压确定的情况下(k、d、m、Vm)，输出电压与加速度呈正 比关系。
3.1跷跷板摆式加速度计
跷跷板摆式加速度计又称扭摆式硅微加速度计(Pendulous Micromachined Silicon Accelerometer,PMSA),因敏感质量绕着弹性梁扭转形似跷跷板而得名。
◦
迟滞现象：指一系统的状 蠕变效应：固体材料在保持 ◦ 芯片的制作相对容易， 态，不仅与当下系统的输 应力不变的条件下，应变随 ◦ 并且接口电路易于实现。 入有关，还与其过去输入 时间延长而增加的现象。 有关。 缺点 ◦ ◦ 温度系数比较大，对温度比较敏感； 和其他原理微加速度计相比，其灵敏度比较低， 且蠕变和迟滞效应比较明显。
3.2 梳齿式电Βιβλιοθήκη Baidu加速度计
梳齿式电容加速度计(Finger-shaped Micromachined Silicon Accelerometer,FMSA),因 活动电极极似梳齿而得名，又称叉指式电容加速度计。 在受到向左的加速度作用时，在惯性力作用下，质量元件 带动动齿向右运动，动齿和动齿两边的定齿之间的差动电容 变化，通过输出电压，由3.0节即可得到加速度值。 优点： 灵敏度高、温度稳定性好、结构相对简单、功耗比较低等 x a
惯性测量仪器及原理 简介（4）
苏日娜
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1.MEMS加速度计分类
市面常见芯片 压阻式加速度计 电容式加速度计 跷跷板式电容加速度计（扭摆式硅微加速度计） 梳齿式电容加速度计 三明治式电容加速度计（悬臂梁式微加速度计）