邵波

摘 要： 介紹了微加速度計(jì)的基本原理以及國內(nèi)外常見的各種微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式，包括壓電式、電容式、扭擺式、隧道式等，分析了這些傳感器的基本特點(diǎn)，總結(jié)微加速度計(jì)發(fā)展中存在的一些問題，并提出一些解決關(guān)鍵問題的措施，預(yù)測微加速度計(jì)未來的發(fā)展趨勢。介紹了微機(jī)械加速度計(jì)的基本原理及其分類。重點(diǎn)論述了微機(jī)械加速度計(jì)的特點(diǎn)和它在民用領(lǐng)域內(nèi)的不同應(yīng)用，并對(duì)微機(jī)械加速度計(jì)領(lǐng)城內(nèi)一些斷的進(jìn)展進(jìn)行了討論，指出了微機(jī)械加速度計(jì)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞： 微加速計(jì)；結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)；應(yīng)用

引言

隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，微加速度計(jì)制作技術(shù)越來越成熟，國內(nèi)外都將微加速度計(jì)開發(fā)作為微機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)品化的優(yōu)先項(xiàng)目，微機(jī)械加速度計(jì)是最重要的 MEMS 器件之一。微加速度計(jì)與通常的加速度計(jì)相比，具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、穩(wěn)定性高、可大量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)?？梢詮V泛地運(yùn)用于航空航天、汽車工業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化及機(jī)器人等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.微加速度計(jì)的原理及分類

市面上的為加速度計(jì)一般是由敏感結(jié)構(gòu)單元和信號(hào)處理電路單元，這兩部分組成的。微加速度計(jì)中的敏感結(jié)構(gòu)單元是用來探測需要探測的加速度信號(hào)，并將探測到的信號(hào)以電學(xué)信號(hào)的形式輸出表現(xiàn)。信號(hào)處理電路顧名思義就是對(duì)敏感結(jié)構(gòu)單元輸出的電學(xué)信號(hào)進(jìn)行處理分析，得出與探測到的加速的信號(hào)成正比的電壓信號(hào)。微加速度計(jì)的性能也是由這兩個(gè)部分共同決定的，其簡略結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)加速度信號(hào)作用在質(zhì)量塊上時(shí)，質(zhì)量塊會(huì)發(fā)生一定的位移，壓縮彈簧。通過測試彈簧的型變量，既可以求出作用在質(zhì)量塊上加速度的大小。通過無力推到可以得出加速度的機(jī)械傳輸表達(dá)式：

函數(shù)表達(dá)式中，x是質(zhì)量塊的位移，m；a是外界加速度，m2/s；D 為阻尼因子；M為質(zhì)量塊的質(zhì)量，kg；wr為共振頻率，Hz；Q為品質(zhì)因子。

質(zhì)量塊的位移（由外部加速度沖擊引起）的表達(dá)式：

從質(zhì)量塊位移表達(dá)式中可以看出，加速度所引起的質(zhì)量位移是通過器件的共振頻率決定的。因此，由此可以推到出電容式加速度計(jì)的靈敏度表達(dá)式：

函數(shù)表達(dá)式中，是空氣的介電常數(shù)；A是傳感正對(duì)面積，m2；d0是初始傳感間距，m。為了增加微加速度計(jì)的使測到的加速度更為準(zhǔn)確，則要求提高微加速度的靈敏度，減少噪聲對(duì)其的干擾。為了滿足這些要求，由函數(shù)表達(dá)式可以看出，當(dāng)加大電容兩極板的面積、增加質(zhì)量塊的質(zhì)量，減少電容兩極板間的距離或者使用彈性系數(shù)小的彈簧等都方式實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)不同的需求，微加速度計(jì)可以分成多種多樣。按敏感軸的數(shù)量可分為單軸微機(jī)械加速度計(jì)、雙軸微機(jī)械加速度計(jì)和三軸微機(jī)械加速度計(jì)；按加工方式可分為微機(jī)械表面加工加速度計(jì)、微機(jī)械體加工加速度計(jì)和 LIGA 加工微機(jī)械加速度計(jì)；按材料可分為硅微機(jī)械加速度計(jì)、石英微機(jī)械加速度計(jì)和金屬微機(jī)械加速度計(jì)；按照慣性檢測質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)方式可分為微型線加速度計(jì)和微型擺式加速度計(jì)；按有無反饋信號(hào)可分為微型開環(huán)加速度計(jì)和微型閉環(huán)加速度計(jì)；按結(jié)構(gòu)形式可分為叉指式微機(jī)械加速度計(jì)、“蹺蹺板”擺式微加速度計(jì)和“三明治”擺式微加速度計(jì)；按敏感信號(hào)方式可分為微型電容式加速度計(jì)、微型壓阻式加速度計(jì)、微型壓電加速度計(jì)、和微型隧道電流式加速度計(jì)等；按敏感軸的數(shù)量可分為單軸微機(jī)械加速度計(jì)、雙軸微機(jī)械加速度計(jì)和三軸微機(jī)械加速度計(jì)。

2.微加速度計(jì)的分類

微加速度計(jì)的分類方式多種多樣，本文著重介紹以敏感原理不同為分類標(biāo)準(zhǔn)得到的分類結(jié)果。表 1.1對(duì)其特性進(jìn)行了簡單闡述。

2.1 壓阻式微加速度計(jì)

壓阻式微加速度計(jì)是首個(gè)投入上也生產(chǎn)的微機(jī)械加速度計(jì)。它采用壓阻監(jiān)測的方式，即利用壓阻效應(yīng)來檢測加速度，一般由質(zhì)量塊、壓敏電阻和懸臂梁組成的。質(zhì)量塊和橫梁通常采用Si材料。當(dāng)懸臂梁發(fā)生形變時(shí)，其固定端一側(cè)變形量最大，因此在懸臂梁固定端一側(cè)布置了壓阻薄膜材料。當(dāng)檢測到加速度時(shí)，懸臂梁在質(zhì)量塊受到的沖擊，在慣性的作用下發(fā)生變形，進(jìn)而壓阻膜也發(fā)生形變，由于壓阻效應(yīng)電阻值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，使壓阻兩端的檢測電壓值發(fā)生變化，然后通過函數(shù)公式推導(dǎo)出電壓值與加速度之間的關(guān)系，得到加速度值。壓阻式微加速度傳感器具有接口電路簡單、工藝復(fù)雜度低、芯片的制作相對(duì)容易、能耗低、線性度較好等優(yōu)點(diǎn)，但由于其溫度系數(shù)大，對(duì)溫度比較敏感，因此壓阻式微加速度計(jì)抗溫形差，適合恒溫的環(huán)境。

2.2 壓電式微加速度計(jì)

壓電式微加速度計(jì)采用氧化鋅、石英等作為壓力敏感材料，機(jī)構(gòu)與壓阻式類似。原理圖如圖3所示，當(dāng)壓敏材料受到應(yīng)力的作用時(shí)，會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，由此得到外部測試到的加速度的大小。當(dāng)微加速度計(jì)在工作狀態(tài)下，質(zhì)量塊在外加載荷的作用下使懸臂梁發(fā)生彎曲，使壓電層的上下表面產(chǎn)生電勢差，再通過測量此電勢差的大小，即可得知外加加速度的大小。為了提高壓電式微加速度計(jì)的靈敏度，則需要將壓敏材料放置在受力最大的位置上。當(dāng)質(zhì)量為m的質(zhì)量快受到加速度為a的加速度作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大小為F（F=ma）的力作用在懸臂梁上，懸臂梁的根部受力最大，因此我們將壓力敏感材料薄膜放置在根部附近。

壓電式微加速度計(jì)具有較高的靈敏度和較寬的帶寬，但由于壓敏材料極化產(chǎn)生的是直流電荷，因此在低頻測量時(shí)會(huì)由于直流電的影響，干擾低頻信號(hào)，使之不能準(zhǔn)確得到需要檢測的加速度。

2.3電容式微加速度計(jì)

電容式微加速度計(jì)是現(xiàn)在市場上最常見的，也有技術(shù)最成熟的為加速度計(jì)。它采用電容作為檢測接口。當(dāng)外部加速度作用在質(zhì)量塊上時(shí)，質(zhì)量塊與檢測電極之間的距離發(fā)生改變，從而所引起電容的變化來確定加速度，其輸出存在本質(zhì)上的非線性。電容式加速度計(jì)的質(zhì)量塊一般通過彈性微梁與基體連接，而檢測電容的兩個(gè)基板分別固定在質(zhì)量塊和基體兩端。

電容式加速度計(jì)雖然易受外界環(huán)境的影響，但其穩(wěn)定性好、溫度漂移小、靈敏度高、過載保護(hù)能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)使之成為目前研究應(yīng)用最多的一種加速度計(jì)。

2.4扭擺式微加速度計(jì)

扭擺式微加速度計(jì)的敏感元件是不對(duì)稱的質(zhì)量塊平板，其下表面有相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)電極，并通過扭轉(zhuǎn)軸和基座相連，基座的上表面鋪有固定電極。當(dāng)有加速度作用在質(zhì)量塊時(shí)，不對(duì)稱的質(zhì)量塊平板在其產(chǎn)生的慣性力的作用下，繞扭轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。加速度與轉(zhuǎn)動(dòng)角成正比關(guān)系：maL=Kθ。表達(dá)式中，a是輸入加速度；L是質(zhì)量平板質(zhì)心到支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離；K是支撐軸的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)；θ是平板的扭轉(zhuǎn)角。當(dāng)質(zhì)量塊平板靜置時(shí)發(fā)生偏移，可以通過電容的靜電力來調(diào)節(jié)平板的偏轉(zhuǎn)角度，達(dá)到校準(zhǔn)微加速度計(jì)的作用，同時(shí)可以利用這種方法提高系統(tǒng)的測量范圍，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。扭擺式微加速度計(jì)基本特點(diǎn)與電容式類似，可以廣泛應(yīng)用。

2.5 隧道式微加速度計(jì)

隧道式微加速度計(jì)，顧名思義通過隧道效應(yīng)而測得加速度。隧道效應(yīng)即平板電極和隧道針尖電極之間的距離達(dá)到某一條件，可以產(chǎn)生隧道電流。針尖與下電極之間的距離和隧道電流之間成反比關(guān)系，其表達(dá)為 。式中，Itun是隧道電流，Vtun是施加在電極兩端的電壓；α是有效勢壘高度；x是電極間隙；Φ是常數(shù)。

隧道式微加速度計(jì)常采用雙端固支梁或者懸臂梁支撐著質(zhì)量塊，質(zhì)量塊在加速度產(chǎn)生的慣性力的作用下發(fā)生位置的偏移，引起隧道電流的變化，再通過點(diǎn)亮的變化量推到出所需檢測的加速度值。

為了得到靈敏度高、穩(wěn)定性好的隧道微加速度計(jì)，通常將其放置在比較封閉的環(huán)境下，利用不同的反饋機(jī)制，使彈性回復(fù)力和靜電驅(qū)動(dòng)力達(dá)到平衡狀態(tài)，再通過控制反饋電壓的大小得出加速度值。現(xiàn)在常用的方法是通過反饋電路控制隧尖與對(duì)應(yīng)電極之間的距離，使之一直維持在能產(chǎn)生隧道電流的范圍內(nèi)，通過觀察反饋電壓的變化，得到加速度的實(shí)時(shí)變化。

2.6 熱對(duì)流式微加速度計(jì)

熱對(duì)流式微加速度計(jì)有一密閉腔，在腔中放置一加熱元件對(duì)充滿腔中的氣體進(jìn)行加熱，當(dāng)氣體受熱后發(fā)生膨脹使其密度下降，熱的氣體上升冷的氣體填充空位，這樣反復(fù)循環(huán)而形成熱對(duì)流傳導(dǎo)。當(dāng)敏感方向無加速度時(shí)，腔內(nèi)被加熱的氣體在自身重力的作用下發(fā)生對(duì)流，加熱器水平兩邊相同位置上的溫度相等，兩個(gè)溫度傳感器的輸出也相等；當(dāng)敏感方向有加速度時(shí)，腔體內(nèi)的氣體在自身重力和外加速度的共同作用下發(fā)生對(duì)流，加熱器水平兩邊相等位置上出現(xiàn)了溫度差，兩個(gè)溫度傳感器的輸出也就產(chǎn)生了差異。如果采用熱敏電阻作為兩個(gè)溫度傳感器的材料，并將其與外環(huán)境的兩個(gè)參考電阻連接構(gòu)成電阻電橋，這樣就可以將級(jí)速度信號(hào)以電壓信號(hào)傳輸出來，更加方便對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行分析處理。

熱對(duì)流式微加速度計(jì)具有非常高的靈敏度，能夠通過電阻橋直接輸出電壓信號(hào)，省去了復(fù)雜的信號(hào)處理電路，簡化了微加速計(jì)的構(gòu)造與成本。由于在這種加速度計(jì)中質(zhì)量塊，因此具有很強(qiáng)的抗沖擊能力。

2.7 諧振式微加速度計(jì)

諧振式微加速度計(jì)采用的是的微機(jī)械諧振器的諧振頻率相對(duì)于應(yīng)力的高靈敏性原理來檢測加速度。它輸出的不再是電壓信號(hào)，而是頻率信號(hào)，這種信號(hào)可以不經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換就可以直接與電腦相連，組成高精度的測量控制系統(tǒng)。諧振式微加速度計(jì)的敏感元件有很多，如：振動(dòng)梁、振動(dòng)膜、振動(dòng)弦、振動(dòng)筒等。當(dāng)垂直器件表面方向存在加速度時(shí)，質(zhì)量塊收到加速度的沖擊而發(fā)生位移，使懸臂梁發(fā)生扭曲而產(chǎn)生應(yīng)力。在懸臂梁的一段放置一個(gè)微機(jī)械諧振器，由于作用在諧振器上的應(yīng)力會(huì)隨著系統(tǒng)接受到的加速度變化而變化，諧振器的諧振頻率也會(huì)隨之發(fā)生變化，通過對(duì)該諧振頻率變化的測量來確定系統(tǒng)的加速度。

諧振式微加速度計(jì)具有穩(wěn)定性好、無活動(dòng)部件、精度高、機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。但由于其機(jī)構(gòu)復(fù)雜，還需要消除頻率的干擾，因此一直沒能得到廣泛的使用，但它仍是具有很高的研究價(jià)值和應(yīng)用前景的一種微加速度計(jì)。

3.微加速度計(jì)的應(yīng)用

微加速度計(jì)一直以其成本低、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。它不僅應(yīng)用在傳統(tǒng)的領(lǐng)域中，還在商業(yè)領(lǐng)域中占據(jù)了廣泛的市場。這種低成本加速度計(jì)主要應(yīng)用領(lǐng)域有：車輛控制、高速鐵路、工業(yè)自動(dòng)化、民用航空、機(jī)器人、探礦等等。圖2是微加速度計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域及測速范圍。不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)铀俣扔?jì)的性能要求也是不一樣 的，表1給出了兩種不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)铀俣扔?jì)性能的要求。

4.總 結(jié)

微機(jī)械加速度計(jì)在民用領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，但隨著應(yīng)用的不斷增多，對(duì)微機(jī)械加速度計(jì)在性能成本和精度上也有了一些更多的要求。這也促進(jìn)微加速度計(jì)在材料選取、制造工藝、設(shè)計(jì)方法等方面的不斷發(fā)展。本文分析與比較了各類型微加速度計(jì)的原理特點(diǎn)，提出了影響微加速度計(jì)性能提高一些共性難題，總結(jié)出其發(fā)展趨勢，為微加速度計(jì)的研究和開發(fā)提供了一些的方向。