微加速度传感器研究现状及发展趋势

微加速度传感器的研究现状及发展趋势

摘要：介绍了为加速度传感器的研究现状、基本原理及其分类和发展趋势。重点论述了为加速度传感器的特点和它在民用领域和军用领域的不同应用，并对微加速度传感器领域内一些新的进展进行了讨论，指出了微加速度传感器的发展趋势。

0 前言

20 世纪40 年代初，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，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。

加速度计面世后一直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受到重视。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。

这种状况直到微机械加速度计(Micro Mechanical Accelerometer，MMA)的问世才发生

了改变。随着微机电系统技术的发展，微加速度计制作技术越来越成熟，国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。微加速度计与通常的加速度计相比，具有很多优点：体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。它可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域，具有广阔的应用前景。

当前国内在加速度技术上仍沿用传统的压电技术，精度停留在5×10-5g水平上，而且尺寸偏大，重量偏重，影响我国惯导技术的先进性。近年来国内虽然有多个单位MEMS微加速度计进行了研究，但在精度上仍未取得突破，大体上只能达到10-1g的水平。

1 微加速度传感器概述及发展现状

1.1 微加速度传感器的工作原理

MEMS 加速度传感器是以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础，在单晶硅片上制造出

来的微机电系统，包括微机械加速度计、微机械陀螺仪和微惯性测量组合(MIMU)。微加速度

传感器的工作原理是经典力学中的牛顿定律，其功能是测量运动物体(如车辆、飞机、导弹、舰艇、人造卫星等)的质心运动和姿态运动，进而可以对运动物体实现控制和导航。MEMS 微加速度传感器与非MEMS 为加速度传感器相比，其体积和价格可减少几个数量级，对国防具

有重大战略意义。基于MEMS 加速度传感器建低成本、高性能的微型惯性导航系统正在成为

当前惯性技术领域的一个研究热点。

1.2 微加速度传感器的特点

MEMS 加速度传感器是惯性器件的一个大的种类，以其制造采用集成电路的加工工艺而

明显地区别于其他惯性传感器，其优点在于寿命更长、制造成本低廉且可靠性更高。此外，还具有体积更小、重量更轻、耗电量更小、易集成、能大批量生产等特点。MEMS 加速度传

感器与液浮、气浮机械陀螺和激光、光纤等光学陀螺相比，在性能方面还有差距，但其性能提高得很快。据预测，MEMS 陀螺的性能极限是0.01°/h。目前MEMS 加速度传感器的性能已

达到中等精度，其中微机械振动陀螺已被验证的分辨率约为(1°～100°)/h，微机械加速度计的偏置稳定性已达2～3μg，能满足大量战术武器的使用要求。如美国新泽西微系统(NJM) 公司的战术级惯性测量装置(IMU)，价格仅相当于典型非MEMS 战术级IMU 的1～1.5 万美元

的十分之一。预测的测量精度为小于10°/h，加速度测量能力为125μg。该装置采用单晶硅制造，具备所要求的抗冲击响应能力，可在20000g 的加速下完好工作。

1.3 几种典型的微加速度传感器的比较

1.3.1 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 1 所示。最先商业化的微加速度传感器

也为压阻式。

图1首次报道的压阻式微加速度传感器

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。

比较典型的压阻式微加速度传感器产品生产公司是美国EG ＆GIC 传感器公司，该公司先后成功开发一系列压阻式加速度传感器，一维的有3022，3028，3145，3255 等，三维的如3355，广泛应用于汽车安全系统、测试仪器、设备振动监测等领域。

1.3.2 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2 所示。

图2一种典型的电容式微加速度传感器结构

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。比较有代表性的产品是美国AD 公司生产的ADXL 系列MEMS 电容式加速度传感器，该传感器利用表面硅微机械加工工艺与集成电路工艺相兼容的特点，将传感器与处理电路同时加工在一块芯片上，解决了电容量小、易受分布电容影响的问题。1993 年投产以来，现已形成ADX系列产品。

1.3.3 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。压电式微加速度传感器的工作原理如图3 所示。加速度传感器的质量块与压电材料相连，当输入加速度时，加速度通过质量块形成的惯性力加在压电材料上，使压电材料产生变形，压电材料产生的变形和由此产生的电荷(电压)与加速度成正比，输出电量经放大后就可检测出加速度大小。