加速度計(jì)的原理與應(yīng)用

在20 世紀(jì) 40 年代初，由德國人研制了世界上第一只擺式陀螺加速度計(jì)。此后的半個(gè)多世紀(jì)以來，由于航天、航空和航海領(lǐng)域?qū)T性測量元件的需求，各種新型加速度計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，性能和精度也有了很大的完善和提高。?

加速度計(jì)面世后作為最重要的慣性儀表之一，用在慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，與海陸空天運(yùn)載體的自動(dòng)駕駛及高技術(shù)武器的高精度制導(dǎo)聯(lián)系在一起。這時(shí)候的加速度計(jì)整個(gè)都很昂貴，使其他領(lǐng)域?qū)λ苌賳柦颉?

直到微機(jī)械加速度計(jì)的問世，這種狀況才發(fā)生了改變。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，慣性傳感器件在過去的幾年中成為最成功，應(yīng)用最廣泛的微機(jī)電系統(tǒng)器件之一，而微加速度計(jì)就是慣性傳感器件的杰出代表。

微加速度計(jì)的理論基礎(chǔ)就是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理，在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部，速度是無法測量的，但卻可以測量其加速度。如果初速度已知，就可以通過積分計(jì)算出線速度，進(jìn)而可以計(jì)算出直線位移。結(jié)合陀螺儀（用來測角速度），就可以對(duì)物體進(jìn)行精確定位。根據(jù)這一原理，人們很早就利用加速度計(jì)和陀螺進(jìn)行輪船，飛機(jī)和航天器的導(dǎo)航，近年來，人們又把這項(xiàng)技術(shù)用于汽車的自動(dòng)駕駛和導(dǎo)彈的制導(dǎo)。汽車工業(yè)的迅速發(fā)展又給加速度計(jì)找到了新的應(yīng)用領(lǐng)域，汽車的防撞氣囊就是利用加速度計(jì)來控制的。

??微加速度計(jì)的工作原理

?微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)模型如圖所示：它采用質(zhì)量塊-彈簧-阻尼器系統(tǒng)來感應(yīng)加速度。圖中只畫出了一個(gè)基本單元。它是利用比較成熟的硅加工工藝在硅片內(nèi)形成的立體結(jié)構(gòu)。圖中的質(zhì)量塊是微加速度計(jì)的執(zhí)行器，與質(zhì)量塊相連的是可動(dòng)臂；與可動(dòng)臂相對(duì)的是固定臂。可動(dòng)臂和固定臂形成了電容結(jié)構(gòu)，作為微加速度計(jì)的感應(yīng)器。其中的彈簧并非真正的彈簧，而是由硅材料經(jīng)過立體加工形成的一種力學(xué)結(jié)構(gòu)，它在加速度計(jì)中的作用相當(dāng)于彈簧。

?當(dāng)加速度計(jì)連同外界物體（該物體的加速度就是待測的加速度）一起加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊就受到慣性力的作用向相反的方向運(yùn)動(dòng)。質(zhì)量塊發(fā)生的位移受到彈簧和阻尼器的限制。顯然該位移與外界加速度具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系：外界加速度固定時(shí)，質(zhì)量塊具有確定的位移；外界加速度變化時(shí)（只要變化不是很快），質(zhì)量塊的位移也發(fā)生相應(yīng)的變化。另一方面，當(dāng)質(zhì)量塊的發(fā)生位移時(shí)，可動(dòng)臂和固定臂（即感應(yīng)器）之間的電容就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化；如果測得感應(yīng)器輸出電壓的變化，就等同于測得了執(zhí)行器（質(zhì)量塊）的位移。既然執(zhí)行器的位移與待測加速度具有確定的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，那么輸出電壓與外界加速度也就有了確定的關(guān)系，即通過輸出電壓就能測得外界加速度。

?（a）執(zhí)行器的力學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖，（b）感應(yīng)器的電學(xué)原理圖

具體地說，以Vm表示輸入電壓信號(hào)，Vs表示輸出電壓，Cs1與Cs2分別表示固定臂與可動(dòng)臂之間的兩個(gè)電容（見圖6），則輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間的關(guān)系可表示為：

微加速度計(jì)的發(fā)展

微加速度計(jì)是微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域研究最早的器件之一。早在1979年Roylance和Angell就開始了微機(jī)械壓阻式加速度計(jì)的研制，隨后各種結(jié)構(gòu)的壓阻式加速度計(jì)相繼出現(xiàn)，并且增加了自檢功能和集成CMOS電路，測量方向也從單軸逐漸向多軸集成測量發(fā)展。另外，多軸單片集成加速度仍然是微機(jī)電加速度計(jì)研究的熱點(diǎn)，自從Takao和Lemkin分別于1997年提出了采用體硅工藝和表面工藝的三軸集成檢測方法以來，在單片三軸集成方面國外陸續(xù)做了不少的研究，但目前尚未有商業(yè)化產(chǎn)品。鑒于慣性器件所具有的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已研制出大量的振動(dòng)慣性器件及二次儀表，例如微型慣性測量組合。

由于微型慣性測量組合主要用于軍事場合，涉及國家安全的領(lǐng)域，可見的報(bào)道較少，美國Draper實(shí)驗(yàn)室的微型慣性測量組合采用三個(gè)微硅陀螺、三個(gè)微硅加速計(jì)和附加電子電路構(gòu)成的MIMU．使研究把加速度計(jì)和陀螺儀集成在一個(gè)單芯片上，減小微型慣性測量組合的耦合誤差，縮小體積，提高其綜合性能。

目前，微加速度計(jì)的研究主要集中在硅材料范圍，然而由于硅壓敏材料的壓阻效應(yīng)受溫度影響較大，一定程度上限制了其靈敏度的提高，所以有待于尋找一種新的材料來突破硅微機(jī)電器件的極限，而GaAs?材料最有可能成為硅的替代材料，因?yàn)樗哂幸恍┍裙韪觾?yōu)越的特性[3]，研究表明GaAs?材料不僅具有很好的力學(xué)特性和電學(xué)特性，而且基于GaAs?壓阻薄膜具有較高的壓阻靈敏度，因此結(jié)合GaAs?材料特性的表面微加工技術(shù)和體微加工技術(shù)、有望制造出具有較高靈敏度、線性度等特性的微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)。

微加速度計(jì)的主要種類

微機(jī)械加速度計(jì)以集成電路工藝和微機(jī)械加工工藝為基礎(chǔ)，將電子原件和機(jī)械原件集成在一塊芯片上，具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、能耗低、集成度高等一系列的優(yōu)點(diǎn)。微加速度計(jì)的種類較多，主要如下：

1、按照質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)方式來劃分的微機(jī)械加速度計(jì)分類如下：

2、按照檢測質(zhì)量的支承方式來劃分的為機(jī)械加速度計(jì)分類如下：

3、按照信號(hào)檢測的方式來劃分的為機(jī)械加速度計(jì)分類如下：

4、按照加工工藝來劃分的為機(jī)械加速度計(jì)分類如下：

5、按照結(jié)構(gòu)形式劃分的微機(jī)械加速度計(jì)分類如下：

?6、按照材料劃分的微機(jī)械加速度計(jì)分類如下：

?7、按照敏感軸的數(shù)量劃分的微機(jī)械加速度計(jì)分類如下：

?幾種典型的微加速度計(jì)比較

壓阻式

壓阻式加速度傳感器通常采用壓敏電阻作為敏感元件。壓敏電阻的電阻率變化與質(zhì)量塊的位移有關(guān)。其工作原理是將被測加速度轉(zhuǎn)換為硅材料的電阻率變化來進(jìn)行加速度的測量。首次報(bào)道的微加速度傳感器為壓阻式，其示意圖如圖所示。最先商業(yè)化的微加速度傳感器也為壓阻式。

?壓阻式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)通常很簡單，加工工藝與?IC?技術(shù)兼容，具有良好的直流響應(yīng)特性。但是靈敏度很小(在?20～50g?量程下約為?1～2mV/g)?，溫度效應(yīng)嚴(yán)重，動(dòng)態(tài)范圍有限。

?電容式

電容式加速度傳感器的敏感元件為固定電極和可動(dòng)電極之間的電容器，是目前研究最多的一類加速度傳感器，一般采用懸臂梁、固支梁或撓性軸結(jié)構(gòu)，支撐一個(gè)當(dāng)作電容動(dòng)板電極的質(zhì)量塊，質(zhì)量塊與一個(gè)固定極板構(gòu)成一個(gè)平板電容。其工作原理是在外部加速度作用下，校驗(yàn)質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，這樣就會(huì)改變質(zhì)量塊和電極之間的電容，將這種變化量用外圍電路檢測出來就可測量加速度的大小。一種電容式微加速度傳感器的示意圖如圖所示。

?電容式加速度傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)，比如高靈敏度、良好的直流響應(yīng)特性、低溫度效應(yīng)和低功率耗散。但是，由于傳感器輸出的高阻抗，電容式加速度傳感器易受電磁干擾影響。

壓電式

壓電式加速度傳感器的敏感元件是壓電材料，壓電材料直接將作用于質(zhì)量塊的力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。壓電式微加速度傳感器的工作原理如圖?3?所示。加速度傳感器的質(zhì)量塊與壓電材料相連，當(dāng)輸入加速度時(shí)，加速度通過質(zhì)量塊形成的慣性力加在壓電材料上，使壓電材料產(chǎn)生變形，壓電材料產(chǎn)生的變形和由此產(chǎn)生的電荷(電壓)與加速度成正比，輸出電量經(jīng)放大后就可檢測出加速度大小。

?壓電式加速度傳感器被認(rèn)為是測量絕對(duì)振動(dòng)的最好工具，因?yàn)榕c其他已知類型的加速度傳感器相比，壓電式加速度傳感器有如下優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)范圍寬，在全部動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)線性度好，頻率范圍寬，質(zhì)量輕。但是，由于電荷泄漏，壓電式加速度傳感器不適于測量線(零頻)加速度，將壓電薄膜與泄漏路徑絕緣，可以達(dá)到接近零頻率的平坦響應(yīng)。而且由于壓電效應(yīng)，壓電式加速度傳感器溫度效應(yīng)嚴(yán)重，使用差動(dòng)敏感器件可以減小這種溫度效應(yīng)。

?由南加州大學(xué)的?Q.Zou等人開發(fā)的單軸和三軸壓電雙晶加速度傳感器，其中單軸靈敏度為?7.0mV/g，最小可探測信號(hào)為?0.01g；三軸的加速度傳感器?X,Y?和?Z?軸的非放大靈敏度分別為?0.9，1.13?和?0.88mV/g。此三軸加速度傳感器采用一種高度對(duì)稱的四梁雙壓電晶片結(jié)構(gòu)支撐一個(gè)質(zhì)量塊，使十字軸靈敏度減小。澳大利亞?Meltal?公司生產(chǎn)的?MS2100?系列壓電式加速度傳感器產(chǎn)品采用晶體電路，沒有移動(dòng)部件，因此不會(huì)產(chǎn)生磨損和退化，使用壽命很長，并且可以垂直、水平或以任何角度安裝，可應(yīng)用于要求對(duì)殼體加速度進(jìn)行測量的關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)機(jī)械的絕對(duì)振動(dòng)，如位移、速度、加速度等。

隧道電流式

隧道電流式微加速度傳感器由于其潛在的高性能和廣闊的應(yīng)用需求，一直以來成為研究的熱點(diǎn)。隧道電流式微加速度傳感器的工作原理是利用電子勢壘隧道效應(yīng)，把輸入的加速度轉(zhuǎn)換為質(zhì)量塊的相對(duì)位移，再通過隧道效應(yīng)將位移量轉(zhuǎn)換為隧道電流的變化，最后用檢測電路測出電流變化量從而獲得相應(yīng)加速度的大小。圖為一種隧道電流式微加速度傳感器。

隧道電流式微加速度傳感器是加速度傳感器在高靈敏度、高可靠性方面應(yīng)用的一個(gè)典型代表，其頻帶寬、靈敏度極高，大約在?10－9g?左右，溫度效應(yīng)小，又由于質(zhì)量塊的機(jī)械活動(dòng)范圍小，因而線性度好，可靠性高。但是隧道電流式微加速度傳感器信號(hào)噪聲大，工作電壓高，加工難度大，成品率不高。國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)一步增大隧道電流式微加速度傳感器的靈敏度等方面做了很多研究工作，如?H.Dong?等人采用雙面?ICP?制作了一種面外隧道電流式加速度傳感器，降低了在面外方向由于?ICP?侵蝕構(gòu)造產(chǎn)生的高虎克常數(shù)，從而增大了傳感器的靈敏度。

諧振式

諧振式微加速度傳感器的工作原理是利用加速度使諧振頻率發(fā)生變化，從而測量出加速度。當(dāng)傳感器的平行梁形狀改變時(shí)，剛度也會(huì)改變，兩對(duì)諧振器分別感應(yīng)慣性力，這會(huì)在諧振頻率的變化上顯示出來，使二者頻率改變，比較這兩個(gè)頻率就可以測量出加速度的大小。諧振式微加速度傳感器的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是可以直接輸出數(shù)字，測量精度極高，是一種很有前途和應(yīng)用價(jià)值的微加速度傳感器，但是制作工藝復(fù)雜。諧振式微加速度傳感器能夠滿足某些領(lǐng)域如汽車行業(yè)對(duì)加速度傳感器的高性能要求。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖所示。

微加速度計(jì)的主要應(yīng)用

微機(jī)械加速度計(jì)以其尺寸小、成本低的誘人特點(diǎn)不僅在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域得到的應(yīng)用，而且在商業(yè)領(lǐng)域占據(jù)了廣泛的市場。低成本加速度計(jì)的商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域主要有：民用航空、車輛控制、高速鐵路、機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化、探礦、玩具等等。

汽車安全裝置?

微機(jī)械加速度計(jì)在汽車上的應(yīng)用包括安全控制功能，如車輪的操縱和自動(dòng)剎車、氣囊開啟和防抱死系統(tǒng)等，從而組成高級(jí)安全汽車。

安全氣囊是提高汽車行駛安全性的重要部件，是一種輔助的約束裝置。微機(jī)械加速度計(jì)在汽車發(fā)生碰撞使加速度測量值急劇增大時(shí)發(fā)出控制信號(hào)，加速度計(jì)立即給氣囊發(fā)送指令并及時(shí)彈出氣囊使其迅速充氣，置于司機(jī)、乘員與擋風(fēng)玻璃或汽車車身之間，以保護(hù)車上的人員。

?汽車防滑系統(tǒng)是微機(jī)械加速度計(jì)用于汽車安全的又一重要應(yīng)用，該系統(tǒng)包括制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）、加速防滑控制系統(tǒng)（ASR）和牽引控制系統(tǒng)（TCS）。汽車在雨雪天氣中的山路上行駛，容易發(fā)生側(cè)滑而造成車毀人亡。如果在汽車上裝有加速度計(jì)，一旦發(fā)生側(cè)滑，在駕駛員反應(yīng)之前，加速度信號(hào)可先通過汽車剎車系統(tǒng)進(jìn)行緊急剎車。

此外，加速度計(jì)還可以用于汽車定位測量系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、車速控制系統(tǒng)、車體移動(dòng)防盜報(bào)警以及節(jié)油系統(tǒng)等方面，如今加速度計(jì)己經(jīng)成為汽車中一個(gè)重要的零部件。

探礦測震

地層勘探是利用人工爆炸造成局部地震，在方圓上百公里的地區(qū)埋入上萬只傳感器測量地震波型及強(qiáng)度，以測定何處有何種礦產(chǎn)。隨著地震勘探高分辨率、高保真等要求的提出，國外一直在研究新的地震信號(hào)檢測技術(shù)。

試驗(yàn)資料表明，使用?MEMS技術(shù)的檢波器所接收到的地震數(shù)據(jù)可以在最終疊加數(shù)據(jù)上保留低至?3Hz?的地震信號(hào)。此外，把?24?位模/數(shù)轉(zhuǎn)換和微加速度傳感器一起集成進(jìn)檢波器殼體，可以直接輸出數(shù)字化的地震信號(hào)。微機(jī)械加速度計(jì)在靈敏度、體積、堅(jiān)固度、噪聲等方面都已經(jīng)達(dá)到傳統(tǒng)機(jī)械傳感器的水平，并在頻率響應(yīng)、矢量保真度等方面比傳統(tǒng)機(jī)械傳感器有明顯的改善，傳感器的替代更新將不可避免。

機(jī)器人狀態(tài)控制

對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)來說，加速度是一個(gè)重要的狀態(tài)變量。對(duì)于各自由度的位置控制，可利用加速度計(jì)獲得機(jī)器人的加速度，對(duì)加速度進(jìn)行一次積分可以獲得機(jī)器人的速度，對(duì)加速度進(jìn)行二次積分可獲得機(jī)器人的位置，從而根據(jù)這些信息形成反饋校正。在機(jī)器人系統(tǒng)控制中，加速度計(jì)輸出不僅可以直接作為加速度狀態(tài)變量，用于現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)反饋進(jìn)行系統(tǒng)綜合，也可以作為經(jīng)典控制理論的反饋校正，此時(shí)相當(dāng)于串聯(lián)校正中的?PID?校正（即超前滯后校正）。

在其他方面的應(yīng)用

硅微機(jī)械加速度計(jì)的另一方面應(yīng)用是心臟起搏器，先進(jìn)的心臟起搏器設(shè)計(jì)中包含多個(gè)傳感器，其中?1～2?只加速度計(jì)用來檢測病人的運(yùn)動(dòng)，以使救護(hù)設(shè)備的輸出適應(yīng)病人的需求。此外高層建筑會(huì)因風(fēng)力、地殼運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生搖晃，工業(yè)或海洋結(jié)構(gòu)件會(huì)在外力作用下發(fā)生振動(dòng)，水壩會(huì)在水壓作用下發(fā)生滑移，這些都需要監(jiān)控。我們用微機(jī)械加速度計(jì)組成測斜儀，放在建筑物上，或者通過埋在水壩上的導(dǎo)管置入水壩體中，它就能時(shí)刻監(jiān)視建筑物、水壩、斜坡等的變化，測量出所在平臺(tái)的傾斜度，及時(shí)報(bào)告傾斜信息，以防止建筑物倒塌、水壩潰決、滑坡等事故造成的損失。

隨著加速度計(jì)的不斷發(fā)展，加速度計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣，在儀器儀表、設(shè)備檢測、方向測量、傾角和搖擺測量、工業(yè)振動(dòng)檢測、貴重物品防摔、運(yùn)動(dòng)員輔助訓(xùn)練等中也發(fā)揮著重要的作用。目前加速度計(jì)廠家開始把目光投向了前景更為廣闊的消費(fèi)電子產(chǎn)品，尤其是便攜式設(shè)備市場。美國模擬器件公司（ADI）日前新推出了3軸MEMS加速度計(jì)首款產(chǎn)品ADXL330，利用?3?軸?MEMS?加速度計(jì)開發(fā)出的新型應(yīng)用有：帶有運(yùn)動(dòng)檢測和狀態(tài)感知的手機(jī)以監(jiān)視手機(jī)所在位置和被使用狀況；帶有硬盤保護(hù)系統(tǒng)的筆記本計(jì)算機(jī)和媒體播放器；可移動(dòng)游戲機(jī)，通過改善當(dāng)前游戲的界面和開發(fā)新的基于運(yùn)動(dòng)的游戲而提供更多的互動(dòng)、直觀和趣味的游戲體驗(yàn)；數(shù)碼相機(jī)，通過檢測位置、運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)而自動(dòng)地幫助用戶更好地拍照。這些都表明了加速度計(jì)的應(yīng)用前景是極為廣闊的。

微加速度計(jì)的存在問題及發(fā)展趨勢

微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步和工藝水平的提高，也給微機(jī)械加速度計(jì)的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇，通過了解國內(nèi)外微機(jī)械加速度計(jì)的研究動(dòng)態(tài)，總結(jié)出微機(jī)械加速度計(jì)以下幾點(diǎn)發(fā)展趨勢：

1、高分辨率和大量程的微硅加速度計(jì)成為研究的重點(diǎn)。由于慣性質(zhì)量塊比較小，所以用來測量加速度和角速度的慣性力也相應(yīng)比較小，系統(tǒng)的靈敏度相對(duì)較低，這樣開發(fā)出高靈敏度的加速度計(jì)顯得尤為重要。無論是民用還是軍事用途，精度高、量程大的微機(jī)械加速度計(jì)將會(huì)大大拓寬其運(yùn)用范圍。目前在航空航天及軍事上應(yīng)用的加速度計(jì)的精度一般在?10 g～10-6之間，民用的加速度計(jì)精度則要低一些。

2、多軸加速度計(jì)的開發(fā)成為新的方向。慣性測量組合有六個(gè)輸出變量，其中三個(gè)是相互正交的?X、Y、Z?三軸上的加速度。已有文獻(xiàn)報(bào)道開發(fā)出三軸微硅加速度計(jì)，其所用的方法也各不相同，但是其性能離實(shí)用還有一段距離，多軸加速度計(jì)的解禍?zhǔn)墙Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)。

3、數(shù)字化輸出和具備通信能力的微弱信號(hào)集成電路。為了獲得高分辨率，電路應(yīng)能檢測?aF?（10法拉）量級(jí)變化的微弱信號(hào)，這在對(duì)體積有著嚴(yán)格要求的儀表集成電路是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。另外隨著信息化網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，數(shù)字化輸出和具備通信能力也成為微機(jī)械加速度計(jì)的發(fā)展方向。其輸出可以直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)，也便于用在諸如傳感器陣列、嵌入式器件等應(yīng)用場合。

4、溫漂小、遲滯效應(yīng)小成為新的性能目標(biāo)。選擇合適的材料，采用合理的結(jié)構(gòu)，以及應(yīng)用新的低成本溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，能夠大幅度提高微機(jī)械加速度計(jì)的精度。