一种三维加速度计弹性体的分析与设计

　　0　引　言

　　基于压电、压阻、光纤等检测机理的各种单维的加速度计的技术比较成熟,市场上都有相应的产品。但在一些特殊的应用场合,提出了对三维加速度计的需求,如,航空航天领域的飞行器,军事领域中对远程导弹制导控制等需要三维的加速度信息,民用机器人控制,电梯舒适度测量,汽车的安全防护系统等都需要对 2个或3个方向的加速度进行测量。随着微机械技术的发展,基于不同工作原理的多维微型加速度计纷纷推出,如,压电式、压阻式、电容式等,在结构设计上,采用悬臂梁、双梁型、四梁型、岛型等形式[1]。如EG&G公司生产的3355型是一种典型的合成式三维加速度计,在3个互相垂直的方向上封装了3 个各自独立的单维压阻式加速度计芯片,但测量误差和传感器的体积相对较大。Puers和Reyntijens给出一体化的三维电容式微型加速度计的设计, 其结构类似三层薄片的三明治,其中,薄层质量块固定在4个对称的横梁上,形成了4个电容器[2]。Tieman等人提出一种封装1个二维和1个一维微型加速度计的低成本三维加速度智能传感器,但没有解决多个质量块所产生的问题[3]。尽管基于半导体微加工技术的微型加速度计是多维加速度计发展的基本方向和热点,但是,由于其研制成本高,使得它没有能够像单维微型加速度计那样得到广泛的应用。国内关于三维加速度计的研究文献报道相对较少[4]。

　　本文介绍一种量程为20gn、交差干扰小(≤0. 1% )的三维加速度计,其结构采用3个相互垂直的双平行应变梁组合形式,每个平行梁敏感一个分量的加速度,经分析和试验表明:该三维角速度计具有灵敏度较高 (≥1mV/V)、交叉干扰小(≤0. 1% ),完全达到了项目预期设计要求。

　　1　弹性体结构

　　弹性体的设计是多维加速度计设计中的关键,因弹性体是连接被测量与应变计的纽带,其结构将直接影响整个传感器的测量精度。

　　在三维传感器结构设计中,为了克服横向干扰,本文采用了宽/厚比较大的应变梁,即横向刚度远大于弯曲刚度。比如:传统的轮辐式结构为了测量各方向加速度,应变梁截面几乎为正方形,如图1所示,其每一方向抗干扰能力差,且由于贴片位置的不准确也会导致各分量间的干扰。如测量Z方向加速度的应变计为 1,2,3,4,在X分量作用下,这4只应变计也会产生应变,若贴片位置准确,则4只应变计拾取的应变值大小和方向相同,这样,通过组桥可以完全克服。若各应变计特性(灵敏度)不一致及贴片位置误差会导致各应变计应变量不同,从而测量Z分量的电桥有输出即产生了干扰误差。

　　对应变式三维加速度计弹性体结构设计中,主要考虑以下几点: