用声表面波滤波器为悬臂梁式SAW加速度计增添加速度方向判断功能

　　实际测量中,对加速度计的要求不仅是测量加速度的大小,而且常常需要判断加速度的方向。但在现有的文献资料中却很少见到关于加速度方向判断技术的报道。本文利用声表面波(SAW)滤波器,为SAW加速度计增添了加速度方向的实时判断功能,并为扩大悬臂梁式SAW加速度计的量程奠定了基础。

　　声表面波滤波器(SAWF)是用集成电路工艺,制作在压电基片表面的一种新型信号处理器件。由于SAWF的中心频率和带宽等参数是由其叉指换能器的叉指数目和叉指周期、以及叉指换能器的掩膜图案等几何参数决定的,因而其设计和制作都十分方便。其工作过程可简要描述为:输入叉指换能器将电信号转换为声表面波信号,沿压电晶体表面传播到输出叉指换能器,再将其转换为电信号。

　　1　加速度测量及其方向的判断

　　本文提出的新型SAW谐振式加速度计的基本结构及其系统构架如图1所示。新型SAW加速度计在许多方面都不同于传统加速度计,首先在设计上,新设计方案将两个作差频使用的SAW谐振器SAWR1和SAWR2布置、制作在加速度计悬臂梁的同一表面上。为使本加速度计具有较高的灵敏度,我们把SAWR1设置在加速度惯性力对悬臂梁的最大形变处,使其充分敏感待测加速度;而让SAWR2做浮动基准零点,安置在与加速度形变无关的地方,只敏感环境温度的漂移变化。这种设计不仅使得我们能够在现有技术条件下,最大程度地抑制和消除温度漂移等共模因素对加速度测量准确度的影响,而且能同时实现对加速度方向的判断。其次,新方案利用SAW滤波器的带通滤波性能来分辨加速度敏感元件SAWR1受被测加速度激励后,其谐振频率的变化移动方向,达到了判断加速度方向的目的。

1·1　SAW加速度计测量原理[2,3]

　　文献[2]已经说明,当加速度计以加速度a运动时,其敏感质量块M受加速度惯性力Ma作用产生位移Δx,使直接制作在其悬臂梁上的加速度传感元件———SAW谐振器SAWR1的基片出现应变ε,引起SAWR1谐振频率的变化。当SAWR1与浮动零点SAWR2的谐振频率做差频处理后,则差频Δf的大小与待测加速度成比例。因此,通过数字频率计对差频输出量Δf的测量,就能得知被测加速度的大小。

　　在加速度计的具体设计上,我们把SAWR1基片的最大允许应变ε<10-3作为约束条件,设计悬臂梁和电容器(见图2),使待测加速度引起M与其中心平衡点O的位移Δx小于最大允许偏离量xmax时,差频Δf与SAWR1基片应变量ε之间满足线性关系:

　　所以SAW加速度计实质上是一种通过计量加速度计的输出频率,得知待测加速度大小的高灵敏加速度-频率转换器。

　　1·2　速度方向判断技术[1]