微加速度计研究的进展

　　随着微机电系统(Micro Electro Mechanical System)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。微加速度计与通常的加速度计相比,具有很多优点:体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。它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。常见的微加速度计按敏感原理的不同可以分为:压阻式、压电式、隧道效应式、电容式以及热敏式等[1~5]。按照工艺方法又可以分为体硅工艺微加速度计和表面工艺微加速度计。

　　常见的振动式微硅加速度计是由振动质量块和支撑弹性横梁构成(如图1所示)。当有加速度输入时,质量块由于惯性力作用而发生位移,位移变化量与输入加速度的大小有确定的对应关系,可以描述为一个单自由度二阶弹簧阻尼振动系统,系统的数学模型即为:

　　式中,k为等效弹性系数,c为等效阻尼系数,m为等效惯性质量,a为输入加速度。根据式(1)可以求出位移量和输入加速度的关系公式:

　　其中,q1和q2是积分常数,决定于系统的边界条件。

　　1　各种微加速度计比较

　　1.1　压阻式微加速度计

　　压阻式微加速度计是由悬臂梁和质量块以及布置在梁上的压阻组成,横梁和质量块常为硅材料。当悬臂梁发生变形时,其固定端一侧变形量最大,故压阻薄膜材料就被布置在悬臂梁固定端一侧(如图2所示)。当有加速度输入时,悬臂梁在质量块受到的惯性力牵引下发生变形,导致固连的压阻膜也随之发生变形,其电阻值就会由于压阻效应而发生变化,导致压阻两端的检测电压值发生变化,从而可以通过确定的数学模型推导出输入加速度与输出电压值的关系。

　　压电式微加速度计是最早出现的微加速度计[6],其优点是:结构简单,芯片的制作相对容易,并且接口电路易于实现。其缺点是:温度系数比较大,对温度比较敏感;和其他原理微加速度计相比,其灵敏度比较低;蠕变和迟滞效应比较明显。

　　1.2　电容式微加速度计

　　电容式微加速度计是最常见的,也有成熟推广的产品。其基本原理就是将电容作为检测接口,来检测由于惯性力作用导致惯性质量块发生的微位移。质量块由弹性微梁支撑连接在基体上,检测电容的一个极板一般配置在运动的质量块上,一个极板配置在固定的基体上。图3所示为典型的三明治结构的平板电容式微加速度计。还有AD公司开发的电容式微加速度计采用梳齿阵列电容作为检测接口。

　　电容式微加速度计的灵敏度和测量精度高、稳定性好、温度漂移小、功耗极低,而且过载保护能力较强;能够利用静电力实现反馈闭环控制,显著提高传感器的性能。