确认姿态的双向微型加速度计

    1  引 言

    微电子技术的飞速发展，使人类进入到了信息时代。而微电子技术的一个重要的发展方向就是研制微型机电系统。微传感器、微执行器和微处理器组成的微型机电系统或微系统技术[1]，逐渐成为欧州、美国、日本等发达国家争先投资开发的热点。宏观范围的加速度传感器技术[2]是发展的比较成熟的技术。自20世纪90年 代 起 ， 微 型 机 电 系 统（microelectro mechanical system,MEMS)的发展，极大地推动了传感器技术的进步，并首先实现了加速度传感器的微型化。一种微型的加速度传感器已设计出来。这种微型的加速度传感器可以确认人体的姿态。

    2  结 构

    近年来，已有许多种类的加速度传感器被生产出来，多数为单向加速度计，范围约为50g。应用领域也多在汽车自动化工业中。这里介绍一种加速度传感器，双向可以确认姿态的加速度传感器。这种传感器可以很容易地扩展为三向加速度计。把这种传感器安装在一个数字手套内，就可以探测到人体的姿态。加速度传感器的测量范围为几个g，频带宽可到几百Hz。传感器的尺寸为 2cmx2cmx0.3cm，还可以根据需要改变其尺寸。

    3  原 理

    加速度计的结构如图1所示，传感器包括一个玻璃-硅-玻璃结构。硅的成型采用微机械技术。传感器包括两个相对的、普通的、一维、压敏加速度计。每个方向的加速度计的质量悬挂在两根梁上。由于惯性，当加速度计处于被加速状态时，质量要维持在其静平衡位置，因此悬臂梁弯曲而产生压力。悬臂梁的表面有一层压敏层，压力的大小依赖于梁的阻力。在梁上装有两个纵向和两个横向的压敏片，阻力变化时它们的符号相反，把它们连接到麦克斯电桥上，使它们可能获得一个与加速度成正比的电压信号。

    一个方向的加速度计用一个麦克斯电桥。两上电桥上的信号相加就可以得到z轴方向的加速度，两个电桥上的信号相减就可以得到x轴方向的加速度。通过对传感器的优化设计可使传感器在x方向和在z方向有相同的加速度灵敏度。传感器的阻尼通过质量与其上面玻璃板间的空气间隙来实现，间隙内充有常压的空气。临界阻尼可以通过改变间隙的宽度来实现。如果空气压力相对其初值有微小的偏离，将严重地影响阻尼的特性。

    4  实验结果

    为了评价传感器的特性如：灵敏度、横向灵敏度和线性误差。使传感器在地球重力场中旋转。

    图2，3表示传感器的输出信号（增益为1000)，图2是传感器绕z轴旋转时，图3是传感器绕x轴旋转时。图2绕z轴旋转时测得z轴方向的信号灵敏度为1.15mV/g。图3绕x轴旋转时测得x轴方向的信号灵敏度为0.41 mV/g（电源电压为5V）。