微加速度计原理与应用.pdf

微加速度计原理与应用 a 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。此后的半个多世纪以来，由于航天、航空和 航海领域对惯性测量元件的需求，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提高。 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 制导联系在一起。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。 直到微机械加速度计的问世，这种状况才发生了改变。随着 MEMS 技术的发展， 惯性传感器件在过去的几年中成为最成 功，应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计就是 惯性传感器件的杰出代表。 微加速度计的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理 原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量 其加速度。 如果初速度已知， 就可以通过积分计算出线速度， 进而可以计算出直线位移。结合陀螺仪（用来测角速度） ， 就可以对物体进行精确定位。根据这一原理，人们很早就利 用加速度计和陀螺进行轮船， 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 工业的迅速发展又给加速度计找到了新的应用领域，汽车的 防撞气囊就是利用加速度计来控制的。 微加速度计的工作 原理 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。它是利 用比较成熟的硅加工工艺在硅片内形成的立体结构。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。可动臂和固定臂形成了电容结 构，作为微加速度计的感应器。 其中的弹簧并非真正的弹簧， 而是由硅材料经过立体加工形成的一种力学结构，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）一起加速运动时，质量块 就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移 受到弹簧和阻尼器的限制。显然该位移与外界加速度具有一 一对应的关系： 外界加速度固定时， 质量块具有确定的位移； 外界加速度变化时（只要变化不是很快） ，质量块的位移也 发生相应的变化。另一方面，当质量块的发生位移时，可动 臂和固定臂（即感应器）之间的电容就会发生相应的变化； 如果测得感应器输出电压的变化，就等同于测得了执行器 （质量块）的位移。既然执行器的位移与待测加速度具有确 定的一一对应关系，那么输出电压与外界加速度也就有了确 定的关系，即通过输出电压就能测得外界加速度。 （a）执行器的力学结构示意图， （b）感应器的电学原理图。 具体地说，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 度计的发展 微加速度计是微机电系统领域研究最早的器件之一。早在 1979 年 Roylance 和 Angell 就开始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出现，并且增 加了自检功能和集成 CMOS 电路，测量方向也从单轴逐渐向 多轴集成测量发展。另外，多轴单片集成加速度仍然是微机 电加速度计研究的热点，自从 Takao 和 Lemkin 分别于 1997 年提出了采