基于差动电容式加速度计的安全气囊系统设计

　　1概述

　　21世纪是一个汽车时代，人们在要求更优越更稳定的汽车性能的同时，对于汽车的舒适度与安全性也提出了更高的要求。安全气囊系统作为汽车重要的安全部件在市场需求的推动下，受到越来越多的重视。许多研究所及相关企业都对安全气囊系统的研发投入了巨资。

　　安全气囊系统通常由传感器、分析器、气囊三部分组成。传感器接收车辆加速度信息，由分析器校核驾驶员风险，气囊做出弹出动作。传感器由最初的纯机械式到后来的电磁式，再逐渐小型化发展到现在的压阻和电容式加速度计等等。如今MEMS加速度计在汽车行业的应用已经比较普遍，根据著名MEMS芯片生产厂商ADI提供的资料，15年内它为汽车工业提供了超过5亿的加速度计和陀螺仪。

　　为了提高安全气囊系统安全性与舒适度，安全系统不仅仅包含驾驶座和副驾驶座上两个单独的气囊。Toyota 公司新推出的气囊系统为后座乘客设计了单独的气囊;据Automotive Body Repair News报道，美国汽车行业提出了前气囊、侧气囊、保险杠等部件组成的新型安全气囊系统概念。同时，Hareesh Subramanian 开发了利用微波进行远程感应的微加速度计，为加速度计的电源小型化提供的新的解决方案;Key Safety Systems Inc.开发了可根据碰撞情况调节气囊充气量的只能气囊系统，为不同碰撞情况的乘客提供最佳的舒适度。安全带的预紧和过载系统也常常出现在安全系统中，防止安全带的突然绷紧对乘客的胸腹产生过大压力。另外，用于摩托车的安全气囊系统也在日本Honda 公司研发之中。

　　2 加速度计设计

　　本加速度计采用电容差分结构，外部加速度使得质量块发生偏移，导致两侧的梳齿间电容发生反向变化，结构图如图 1 所示。

　　中心质量块分析：

　　在加速度a 的作用下，中心质量块发生位移

　　m 为质量块的质量，LB为支撑梁的长度，EB为支撑梁的弹性模量，为支撑梁截面惯性矩。所以，与中心质量块相连的可动电极也发生的位移 。

　　电容结构分析：

　　对于固定电极与可动电极构成的电容结构，设梳齿电容加速度传感器共有差分电容 n 组，可动梳齿电极长为 le，可动电极与固定电极之间静态电容间隙为d0。

　　在无惯性力作用时，传感器静态电容C为：

　　当可动梳齿电极位移为w时，差分电容为

　　差动电容为

　　由上式可知，差分电容 △C 与可动梳齿电极位移 w 成正比，也即与加速度a成正比

　　检测出器件的差分电容，就可知道加速度 的大小