浅析微加速度传感器的研究现状及发展趋势

陈鑫

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。重点论述了微加速度传感器的特点，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。

关键词 传感器 速度 电力系统

中图分类号：TH824.4 文献标识码：A

20世纪末航空、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，直到微机械加速度计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。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？0-5g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

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。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。微加速度传感器与非MEMS为加速度传感器相比，其体积和價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

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。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。据预测，MEMS陀螺的性能极限是0.01？h。目前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啊？00？/h，微机械加速度 计的偏置稳定性已达2～3 g，能满足大量战术武器的使用要求。

2我国微加速度传感器的发展现状

我国从20世纪80年代末开始了MEMS技术的研究，包括硅微型压力传感器、微型电机和微型泵。10多年来研究队伍逐步扩大，本世纪初已形成40多个单位的50多个研究小组，在MEMS传感器方面开展了大量的研究工作，取得了长足的进步。MEMS研究方向包括：微型惯性器件和惯性测量组合；机械量微型传感器和制动器；微流量器件和系统；生物传感器、生物芯片和微操作系统；微型机器人；硅和非硅制造工艺。国内公开发表文献表明，我国研制的振动轮式机械陀螺零偏稳定性达到70？h，随机游走噪声达到30？分贝。但由于基础研究的薄弱，技术人员的缺乏，技术和资金投入的不足，我国在各个技术方面与国外发达国家相比还有一定的差距，主要体现在批量生产时性能的稳定性和器件的完好率都有待于提高。

3微加速度传感器的发展趋势

微机电系统技术的进步和工艺水平的提高，也给微机械加速度计的发展带来了新的机遇，通过了解国内外微机械加速度计的研究动态，总结出微机械加速度计以下几点发展趋势：

（1）高分辨率和大量程的微硅加速度计成为研究的重点。由于惯性质量块比较小，所以用来测量加速度和角速度的惯性力也相应比较小，系统的灵敏度相对较低，这样开发出高灵敏度的加速度计显得尤为重要。

（2）温漂小、迟滞效应小成为新的性能目标。选择合适的材料，采用合理的结构，以及应用新的低成本温度补偿环节，能够大幅度提高微机械加速度计的精度。

（3）选择合理的工艺手段和材料，降低制作成本，为微机械加速度计批量化生产提供工艺路线。同时，标准化微机电系统工艺，确保加工结果均匀、稳定、提高成品率，为微机械加速度计投片生产提供一套利于操作、重复性好的工艺方法，也是微硅加速度计发展的重要方向。

（4）微机理研究。微机械加速度计属于微米量级，随着微结构尺寸的不断缩小，构件可承受的外载荷和体积力变得次要，而构件间的摩擦力和其他表面力成为影响性能的主要因素，微机械的力学系统特征和材料特征成为微机理研究的重要方面。

4总结

在工业领域自动化技术发展迅速的今天，加速度的精密计量检测是一个至关重要的问 题，因此对各种加速度传感器进行研究与开发是十分必要的。微加速度传感器具有体积小、重量轻、性能稳定等特点，是惯性传感器件的杰出代表。微加速度传感器经过二十多年的发展，在工作原理及测试技术等方面已趋于完善。目前我国对微加速度传感器的理论研究及工程应用方面与国际先进水平相比还有一定差距，今后的研究应该朝着高精度、高可靠性、高灵敏度、低温度效应、简化工艺、多维度方向发展。

参考文献

[1] 于雪莲.加速度传感器校准的一种新方法[J].计量与测试技术，2017（02）.