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a 文 | 传感器技术（WW_CGQJS） 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。尔后的半个多世纪以来，由于航天、航空和航海范畴对惯性丈量元件的需求，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进步。 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络在一同。这时分的加速度计整个都很昂贵，使其他范畴对它很少问津。
直到微机械加速度计的问世，这种状况才发作了改动。随着MEMS技术的展开，惯性传感器件在过去的几年中成为最胜利，应用最普遍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出色代表。
微加速度计的理论基础就是牛顿第二定律，依据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法丈量的，但却能够丈量其加速度。假如初速度已知，就能够经过积分计算出线速度，进而能够计算出直线位移。分离陀螺仪（用来测角速度），就能够对物体中止准肯定位。依据这一原理，人们很早就应用加速度计和陀螺中止轮船，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。汽车工业的疾速展开又给加速度计找到了新的应用范畴，汽车的防撞气囊就是应用加速度计来控制的。
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。它是应用比较成熟的硅加工工艺在硅片内构成的平面结构。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。可动臂和固定臂构成了电容结构，作为微加速度计的感应器。其中的弹簧并非真正的弹簧，而是由硅资料经过平面加工构成的一种力学结构，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）一同加速运动时，质量块就遭到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发作的位移遭到弹簧和阻尼器的限制。显然该位移与外界加速度具有逐一对应的关系：外界加速度固定时，质量块具有肯定的位移；外界加速度变更时（只需变更不是很快），质量块的位移也发作相应的变更。另一方面，当质量块的发作位移时，可动臂和固定臂（即感应器）之间的电容就会发作相应的变更；假如测得感应器输出电压的变更，就同等于测得了执行器（质量块）的位移。既然执行器的位移与待测加速度具有肯定的逐一对应关系，那么输出电压与外界加速度也就有了肯定的关系，即经过输出电压就能测得外界加速度。
（a）执行器的力学结构表示图，（b）感应器的电学原理图。 细致地说，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：
微加速度计是微机电舷范畴研讨最早的器件之一。早在1979年Roylance和Angell就开端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呈现，并且增加了自检功用和集成CMOS电路，丈量方向也从单轴逐步向多轴集成丈量展开。另外，多轴单片集成加速度依旧是微机电加速度计研讨的热点，自从Takao和Lemkin分别于1997年提出了采用体硅工艺和名义工艺的三轴集成检测措施以来，在单片三轴集成方面国外陆续做了不少的研讨，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，例如微型惯性丈量组合。 由于微型惯性丈量组合主要用于军事场所，触及国度保险的范畴，可见的报道较少，美国Draper实验室的微型惯性丈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．使研讨把加速度计和陀螺仪集成在一个单芯片上，减小微型惯性丈量组合的耦合误差，减少体积，进步其综合性能。 目前，微加速度计的研讨主要集中在硅资料范围，但是由于硅压敏资料的压阻效应受温度影响较大，一定水平上限制了其灵活度的进步，所以有待于寻觅一种新的资料来突破硅微机电器件的极限，而GaAs 资料最有可能成为硅的替代资料，由于它具有一些比硅愈加优越的特性[3]，研讨表明GaAs 资料不只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活度，因而分离GaAs 资料特性的名义微加工技术和体微加工技术、有望制造出具有较高灵活度、线性度等特性的微加速度计结构。
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、依照质量的运动方式来划分的微机械加速度计分类如下：
2、依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、依照信号检测的方式来划分的为机械加速度计分类如下：
4、依照控制方式来划分的为机械加速度计分类如下：
5、依照加工工艺来划分的为机械加速度计分类如下：
6、依照结构方式划分的微机械加速度计分类如下：
7、依照资料划分的微机械加速度计分类如下：
8、依照敏感轴的数量划分的微机械加速度计分类如下：
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更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资料的电阻率变更来中止加速度的丈量。初次报道的微加速度传感器为压阻式，其表示图如图所示。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。但是灵活度很小(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，是目前研讨最多的一类加速度传感器，普通采用悬臂梁、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，这样就会改蜕变量块和电极之间的电容，将这种变更量用外围电路检测出来就可丈量加速度的大小。一种电容式微加速度传感器的表示图如图所示。
电容式加速度传感器有许多优点，好比高灵活度、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资料，压电资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资料相连，当输入加速度时，加速度经过质量块构成的惯性力加在压电资料上，使压电资料产生变形，压电资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。
压电式加速度传感器被以为是丈量绝对振动的最好工具，由于与其他已知类型的加速度传感器相比，压电式加速度传感器有如下优点：动态范围宽，在全部动态范围内线性度好，频率范围宽，质量轻。但是，由于电荷走漏，压电式加速度传感器不适于丈量线(零频)加速度，将压电薄膜与走漏途径绝缘，能够抵达接近零频率的平整响应。而且由于压电效应，压电式加速度传感器温度效应严重，运用差动敏感器件能够减小这种温度效应。 由南加州大学的Q.Zou等人开发的单轴和三轴压电双晶加速度传感器，其中单轴灵活度为7.0mV/g，最小可探测信号为0.01g；三轴的加速度传感器X,Y 和Z 轴的非放大灵活度分别为0.9，1.13 和0.88mV/g。此三轴加速度传感器采用一种高度对称的四梁双压电晶片结构支撑一个质量块，使十字轴灵活度减小。澳大利亚Meltal 公司消费的MS2100 系列压电式加速度传感器产品采用晶体电路，没有移动部件，因而不会产生磨损和退化，运用寿命很长，并且能够垂直、水平或以任何角度装置，可应用于请求对壳体加速度中止丈量的关键旋转机械的绝对振动，如位移、速度、加速度等。 隧道电流式 隧道电流式微加速度传感器由于其潜在的高性能和宽广的应用需求，不时以来成为研讨的热点。隧道电流式微加速度传感器的工作原理是应用电子势垒隧道效应，把输入的加速度转换为质量块的相对位移，再经过隧道效应将位移量转换为隧道电流的变更，最后用检测电路测出电流变更量从而取得相应加速度的大小。图为一种隧道电流式微加速度传感器。
隧道电流式微加速度传感器是加速度传感器在高灵活度、高牢靠性方面应用的一个典型代表，其频带宽、灵活度极高，大约在10－9g 左右，温度效应小，又由于质量块的机械活动范围小，因而线性度好，牢靠性高。但是隧道电流式微加速度传感器信号噪声大，工作电压高，加工难度大，废品率不高。国内外许多研讨机构在进一步增大隧道电流式微加速度传感器的灵活度等方面做了很多研讨工作，如H.Dong 等人采用双面ICP 制造了一种面外隧道电流式加速度传感器，降低了在面外方向由于ICP 腐蚀结构产生的高虎克常数，从而增大了传感器的灵活度。 谐振式 谐振式微加速度传感器的工作原理是应用加速度使谐振频率发作变更，从而丈量出加速度。当传感器的平行梁外形改动时，刚度也会改动，两对谐振器分别感应惯性力，这会在谐振频率的变更上显现出来，使二者频率改动，比较这两个频率就能够丈量出加速度的大小。谐振式微加速度传感器的共同优点是能够直接输出数字，丈量精度极高，是一种很有出路和应用价值的微加速度传感器，但是制造工艺复杂。谐振式微加速度传感器能够满足某些范畴如汽车行业对加速度传感器的高性能请求。其结构简图如图所示。
微机械加速度计以其尺寸小、成本低的诱人特性不只在传统应用范畴得到的应用，而且在商业范畴占领了普遍的市场。低成本加速度计的商业应用范畴主要有：民用航空、车辆控制、高速铁路、机器人、工业自动化、探矿、玩具等等。
汽车保险装置 微机械加速度计在汽车上的应用包含保险控制功用，如车轮的支配和自动刹车、气囊开启和防抱死系统等，从而组成高级保险汽车。 保险气囊是进步汽车行驶保险性的重要部件，是一种辅助的约束装置。微机械加速度计在汽车发作碰撞使加速度丈量值急剧增大时发出控制信号，加速度计立刻给气囊发送指令并及时弹出气囊使其疾速充气，置于司机、乘员与挡风玻璃或汽车车身之间，以维护车上的人员。
汽车防滑系统是微机械加速度计用于汽车保险的又一重要应用，该系统包含制动防抱死系统（ABS）、加速防滑控制系统（ASR）和牵引控制系统（TCS）。汽车在雨雪天气中的山路上行驶，容易发作侧滑而构成车毁人亡。假如在汽车上装有加速度计，一旦发作侧滑，在驾驶员反响之前，加速度信号可先经过汽车刹车系统中止紧急刹车。 此外，加速度计还能够用于汽车定位丈量系统、自动导航系统、车速控制系统、车体移动防盗报警以及节油系统等方面，往常加速度计己经成为汽车中一个重要的零部件。 探矿测震 地层勘探是应用人工爆炸构成部分地震，在方圆上百公里的地域埋入上万只传感器丈量地震波型及强度，以测定何处有何种矿产。随着地震勘探高分辨率、高保真等请求的提出，国外不时在研讨新的地震信号检测技术。
实验资料表明，运用MEMS技术的检波器所接纳到的地震数据能够在最终叠加数据上保存低至3Hz 的地震信号。此外，把24 位模/数转换和微加速度传感器一同集成进检波器壳体，能够直接输出数字化的地震信号。微机械加速度计在灵活度、体积、巩固度、噪声等方面都曾经抵达传统机械传感器的水平，并在频率响应、矢量保真度等方面比传统机械传感器有明显的改善，传感器的替代更新将不可避免。 机器人状态控制 对机器人控制系统来说，加速度是一个重要的状态变量。关于各自由度的位置控制，可应用加速度计取得机器人的加速度，对加速度中止一次积分能够取得机器人的速度，对加速度中止二次积分可取得机器人的位置，从而依据这些信息构成反响校正。在机器人系统控制中，加速度计输出不只能够直接作为加速度状态变量，用于现代控制理论的状态反响中止系统综合，也能够作为经典控制理论的反响校正，此时相当于串联校正中的PID 校正（即超前滞后校正）。
在其他方面的应用 硅微机械加速度计的另一方面应用是心脏起搏器，先进的心脏起搏器设计中包含多个传感器，其中1～2 只加速度计用来检测病人的运动，以使救护设备的输出顺应病人的需求。此外高层建筑会因风力、地壳运动而产生摇晃，工业或海洋结构件会在外力作用下发作振动，水坝会在水压作用下发作滑移，这些都需求监控。我们用微机械加速度计组成测斜仪，放在建筑物上，或者经过埋在水坝上的导管置入水坝体中，它就能时辰监视建筑物、水坝、斜坡等的变更，丈量出所在平台的倾斜度，及时讲演倾斜信息，以避免建筑物倒塌、水坝溃决、滑坡等事故构成的损失。 随着加速度计的不时展开，加速度计的应用范畴也越来越广，在仪器仪表、设备检测、方向丈量、倾角和摇晃丈量、工业振动检测、贵重物品防摔、运发起辅助锻炼等中也发挥着重要的作用。目前加速度计厂家开端把眼光投向了前景更为宽广的消费电子产品，特别是便携式设备市场。美国模仿器件公司（ADI）日前新推出了3轴MEMS加速度计首款产品ADXL330，应用3 轴MEMS 加速度计开发出的新型应用有：带有运动检测和状态感知的手机以监视手机所在位置和被运用状况；带有硬盘维护系统的笔记本计算机和媒体播放器；可移动游戏机，经过改善当前游戏的界面和开发新的基于运动的游戏而提供更多的互动、直观和兴味的游戏体验；数码相机，经过检测位置、运动和振动而自动地辅佐用户更好地拍照。这些都表明了加速度计的应用前景是极为宽广的。
微机电系统技术的进步和工艺水平的进步，也给微机械加速度计的展开带来了新的机遇，经过了解国内外微机械加速度计的研讨动态，总结出微机械加速度计以下几点展开趋向： 1、高分辨率和大量程的微硅加速度计成为研讨的重点。由于惯性质量块比较小，所以用来丈量加速度和角速度的惯性力也相应比较小，系统的灵活度相对较低，这样开发出高灵活度的加速度计显得尤为重要。无论是民用还是军事用处，精度高、量程大的微机械加速度计将会大大拓宽其运用范围。目前在航空航天及军事上应用的加速度计的精度普通在10 g～10-6之间，民用的加速度计精度则要低一些。 2、多轴加速度计的开发成为新的方向。惯性丈量组合有六个输出变量，其中三个是相互正交的X、Y、Z 三轴上的加速度。已有文献报道开发出三轴微硅加速度计，其所用的措施也各不相同，但是其性能离适用还有一段距离，多轴加速度计的解祸是结构设计中的一个难点。 3、数字化输出和具备通讯才干的微小信号集成电路。为了取得高分辨率，电路应能检测aF （10法拉）量级变更的微小信号，这在对体积有着严厉请求的仪表集成电路是一个极大的应战。另外随着信息化网络化的展开，数字化输出和具备通讯才干也成为微机械加速度计的展开方向。其输出能够直接进入计算机，也便于用在诸如传感器阵列、嵌入式器件等应用场所。 4、温漂小、迟滞效应小成为新的性能目的。选择适合的资料，采用合理的结构，以及应用新的低成本温度弥补环节，能够大幅度进步微机械加速度计的精度。 本篇文章为传感器技术平台原创文章，转载需联络我们受权！未经允许转载我们将中止投诉！ |
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