微加速度计的结果及应用研究进展

邵波

摘 要： 介绍了微加速度计的基本原理以及国内外常见的各种微加速度计的结构形式，包括压电式、电容式、扭摆式、隧道式等，分析了这些传感器的基本特点，总结微加速度计发展中存在的一些问题，并提出一些解决关键问题的措施，预测微加速度计未来的发展趋势。介绍了微机械加速度计的基本原理及其分类。重点论述了微机械加速度计的特点和它在民用领域内的不同应用，并对微机械加速度计领城内一些断的进展进行了讨论，指出了微机械加速度计的发展趋势。

关键词： 微加速计；结构与系统；应用

引言

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，微机械加速度计是最重要的 MEMS 器件之一。微加速度计与通常的加速度计相比，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、稳定性高、可大量生产等优点。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。

1.微加速度计的原理及分类

市面上的为加速度计一般是由敏感结构单元和信号处理电路单元，这两部分组成的。微加速度计中的敏感结构单元是用来探测需要探测的加速度信号，并将探测到的信号以电学信号的形式输出表现。信号处理电路顾名思义就是对敏感结构单元输出的电学信号进行处理分析，得出与探测到的加速的信号成正比的电压信号。微加速度计的性能也是由这两个部分共同决定的，其简略结构如图1所示。当加速度信号作用在质量块上时，质量块会发生一定的位移，压缩弹簧。通过测试弹簧的型变量，既可以求出作用在质量块上加速度的大小。通过无力推到可以得出加速度的机械传输表达式：

函数表达式中，x是质量块的位移，m；a是外界加速度，m2/s；D 为阻尼因子；M为质量块的质量，kg；wr为共振频率，Hz；Q为品質因子。

质量块的位移（由外部加速度冲击引起）的表达式：

从质量块位移表达式中可以看出，加速度所引起的质量位移是通过器件的共振频率决定的。因此，由此可以推到出电容式加速度计的灵敏度表达式：

函数表达式中，是空气的介电常数；A是传感正对面积，m2；d0是初始传感间距，m。为了增加微加速度计的使测到的加速度更为准确，则要求提高微加速度的灵敏度，减少噪声对其的干扰。为了满足这些要求，由函数表达式可以看出，当加大电容两极板的面积、增加质量块的质量，减少电容两极板间的距离或者使用弹性系数小的弹簧等都方式实现。

根据不同的需求，微加速度计可以分成多种多样。按敏感轴的数量可分为单轴微机械加速度计、双轴微机械加速度计和三轴微机械加速度计；按加工方式可分为微机械表面加工加速度计、微机械体加工加速度计和 LIGA 加工微机械加速度计；按材料可分为硅微机械加速度计、石英微机械加速度计和金属微机械加速度计；按照惯性检测质量的运动方式可分为微型线加速度计和微型摆式加速度计；按有无反馈信号可分为微型开环加速度计和微型闭环加速度计；按结构形式可分为叉指式微机械加速度计、“跷跷板”摆式微加速度计和“三明治”摆式微加速度计；按敏感信号方式可分为微型电容式加速度计、微型压阻式加速度计、微型压电加速度计、和微型隧道电流式加速度计等；按敏感轴的数量可分为单轴微机械加速度计、双轴微机械加速度计和三轴微机械加速度计。

2.微加速度计的分类

微加速度计的分类方式多种多样，本文着重介绍以敏感原理不同为分类标准得到的分类结果。表 1.1对其特性进行了简单阐述。

2.1 压阻式微加速度计

压阻式微加速度计是首个投入上也生产的微机械加速度计。它采用压阻监测的方式，即利用压阻效应来检测加速度，一般由质量块、压敏电阻和悬臂梁组成的。质量块和横梁通常采用Si材料。当悬臂梁发生形变时，其固定端一侧变形量最大，因此在悬臂梁固定端一侧布置了压阻薄膜材料。当检测到加速度时，悬臂梁在质量块受到的冲击，在惯性的作用下发生变形，进而压阻膜也发生形变，由于压阻效应电阻值也会发生相应的变化，使压阻两端的检测电压值发生变化，然后通过函数公式推导出电压值与加速度之间的关系，得到加速度值。压阻式微加速度传感器具有接口电路简单、工艺复杂度低、芯片的制作相对容易、能耗低、线性度较好等优点，但由于其温度系数大，对温度比较敏感，因此压阻式微加速度计抗温形差，适合恒温的环境。

2.2 压电式微加速度计

压电式微加速度计采用氧化锌、石英等作为压力敏感材料，机构与压阻式类似。原理图如图3所示，当压敏材料受到应力的作用时，会发生极化现象，由此得到外部测试到的加速度的大小。当微加速度计在工作状态下，质量块在外加载荷的作用下使悬臂梁发生弯曲，使压电层的上下表面产生电势差，再通过测量此电势差的大小，即可得知外加加速度的大小。为了提高压电式微加速度计的灵敏度，则需要将压敏材料放置在受力最大的位置上。当质量为m的质量快受到加速度为a的加速度作用时，会产生一个大小为F（F=ma）的力作用在悬臂梁上，悬臂梁的根部受力最大，因此我们将压力敏感材料薄膜放置在根部附近。

压电式微加速度计具有较高的灵敏度和较宽的带宽，但由于压敏材料极化产生的是直流电荷，因此在低频测量时会由于直流电的影响，干扰低频信号，使之不能准确得到需要检测的加速度。

2.3电容式微加速度计

电容式微加速度计是现在市场上最常见的，也有技术最成熟的为加速度计。它采用电容作为检测接口。当外部加速度作用在质量块上时，质量块与检测电极之间的距离发生改变，从而所引起电容的变化来确定加速度，其输出存在本质上的非线性。电容式加速度计的质量块一般通过弹性微梁与基体连接，而检测电容的两个基板分别固定在质量块和基体两端。

电容式加速度计虽然易受外界环境的影响，但其稳定性好、温度漂移小、灵敏度高、过载保护能力较强等优点使之成为目前研究应用最多的一种加速度计。

2.4扭摆式微加速度计

扭摆式微加速度计的敏感元件是不对称的质量块平板，其下表面有相应的运动电极，并通过扭转轴和基座相连，基座的上表面铺有固定电极。当有加速度作用在质量块时，不对称的质量块平板在其产生的惯性力的作用下，绕扭转轴发生转动。加速度与转动角成正比关系：maL=Kθ。表达式中，a是输入加速度；L是质量平板质心到支撑轴转动中心的距离；K是支撑轴的扭转刚度系数；θ是平板的扭转角。当质量块平板静置时发生偏移，可以通过电容的静电力来调节平板的偏转角度，达到校准微加速度计的作用，同时可以利用这种方法提高系统的测量范围，改善系统的动态特性。扭摆式微加速度计基本特点与電容式类似，可以广泛应用。

2.5 隧道式微加速度计

隧道式微加速度计，顾名思义通过隧道效应而测得加速度。隧道效应即平板电极和隧道针尖电极之间的距离达到某一条件，可以产生隧道电流。针尖与下电极之间的距离和隧道电流之间成反比关系，其表达为 。式中，Itun是隧道电流，Vtun是施加在电极两端的电压；α是有效势垒高度；x是电极间隙；Φ是常数。

隧道式微加速度计常采用双端固支梁或者悬臂梁支撑着质量块，质量块在加速度产生的惯性力的作用下发生位置的偏移，引起隧道电流的变化，再通过点亮的变化量推到出所需检测的加速度值。

为了得到灵敏度高、稳定性好的隧道微加速度计，通常将其放置在比较封闭的环境下，利用不同的反馈机制，使弹性回复力和静电驱动力达到平衡状态，再通过控制反馈电压的大小得出加速度值。现在常用的方法是通过反馈电路控制隧尖与对应电极之间的距离，使之一直维持在能产生隧道电流的范围内，通过观察反馈电压的变化，得到加速度的实时变化。

2.6 热对流式微加速度计

热对流式微加速度计有一密闭腔，在腔中放置一加热元件对充满腔中的气体进行加热，当气体受热后发生膨胀使其密度下降，热的气体上升冷的气体填充空位，这样反复循环而形成热对流传导。当敏感方向无加速度时，腔内被加热的气体在自身重力的作用下发生对流，加热器水平两边相同位置上的温度相等，两个温度传感器的输出也相等；当敏感方向有加速度时，腔体内的气体在自身重力和外加速度的共同作用下发生对流，加热器水平两边相等位置上出现了温度差，两个温度传感器的输出也就产生了差异。如果采用热敏电阻作为两个温度传感器的材料，并将其与外环境的两个参考电阻连接构成电阻电桥，这样就可以将级速度信号以电压信号传输出来，更加方便对加速度信号进行分析处理。

热对流式微加速度计具有非常高的灵敏度，能够通过电阻桥直接输出电压信号，省去了复杂的信号处理电路，简化了微加速计的构造与成本。由于在这种加速度计中质量块，因此具有很强的抗冲击能力。

2.7 谐振式微加速度计

谐振式微加速度计采用的是的微机械谐振器的谐振频率相对于应力的高灵敏性原理来检测加速度。它输出的不再是电压信号，而是频率信号，这种信号可以不经过数模转换就可以直接与电脑相连，组成高精度的测量控制系统。谐振式微加速度计的敏感元件有很多，如：振动梁、振动膜、振动弦、振动筒等。当垂直器件表面方向存在加速度时，质量块收到加速度的冲击而发生位移，使悬臂梁发生扭曲而产生应力。在悬臂梁的一段放置一个微机械谐振器，由于作用在谐振器上的应力会随着系统接受到的加速度变化而变化，谐振器的谐振频率也会随之发生变化，通过对该谐振频率变化的测量来确定系统的加速度。

谐振式微加速度计具有稳定性好、无活动部件、精度高、机械结构牢固、灵敏度高等优点。但由于其机构复杂，还需要消除频率的干扰，因此一直没能得到广泛的使用，但它仍是具有很高的研究价值和应用前景的一种微加速度计。

3.微加速度计的应用

微加速度计一直以其成本低、尺寸小等优点得到广泛的应用。它不仅应用在传统的领域中，还在商业领域中占据了广泛的市场。这种低成本加速度计主要应用领域有：车辆控制、高速铁路、工业自动化、民用航空、机器人、探矿等等。图2是微加速度计的应用领域及测速范围。不同的应用领域对加速度计的性能要求也是不一样 的，表1给出了两种不同应用领域对加速度计性能的要求。

4.总 结

微机械加速度计在民用领域中的应用越来越广泛，但随着应用的不断增多，对微机械加速度计在性能成本和精度上也有了一些更多的要求。这也促进微加速度计在材料选取、制造工艺、设计方法等方面的不断发展。本文分析与比较了各类型微加速度计的原理特点，提出了影响微加速度计性能提高一些共性难题，总结出其发展趋势，为微加速度计的研究和开发提供了一些的方向。