微加速度计的原理与应用

在20 世纪 40 年代初，由德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来，由于航天、航空和航海领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，性能和精度也有了很大的完善和提高。

加速度计面世后作为最重要的惯性仪表之一，用在惯性导航和惯性制导系统中，与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起。这时候的加速度计整个都很昂贵，使其他领域对它很少问津。

直到微机械加速度计的问世，这种状况才发生了改变。随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功，应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计就是惯性传感器件的杰出代表。

微加速度计的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。结合陀螺仪（用来测角速度），就可以对物体进行精确定位。根据这一原理，人们很早就利用加速度计和陀螺进行轮船，飞机和航天器的导航，近年来，人们又把这项技术用于汽车的自动驾驶和导弹的制导。汽车工业的迅速发展又给加速度计找到了新的应用领域，汽车的防撞气囊就是利用加速度计来控制的。

微加速度计的工作原理

微加速度计的结构模型如图所示：它采用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应加速度。图中只画出了一个基本单元。它是利用比较成熟的硅加工工艺在硅片内形成的立体结构。图中的质量块是微加速度计的执行器，与质量块相连的是可动臂；与可动臂相对的是固定臂。可动臂和固定臂形成了电容结构，作为微加速度计的感应器。其中的弹簧并非真正的弹簧，而是由硅材料经过立体加工形成的一种力学结构，它在加速度计中的作用相当于弹簧。

当加速度计连同外界物体（该物体的加速度就是待测的加速度）一起加速运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制。显然该位移与外界加速度具有一一对应的关系：外界加速度固定时，质量块具有确定的位移；外界加速度变化时（只要变化不是很快），质量块的位移也发生相应的变化。另一方面，当质量块的发生位移时，可动臂和固定臂（即感应器）之间的电容就会发生相应的变化；如果测得感应器输出电压的变化，就等同于测得了执行器（质量块）的位移。既然执行器的位移与待测加速度具有确定的一一对应关系，那么输出电压与外界加速度也就有了确定的关系，即通过输出电压就能测得外界加速度。

（a）执行器的力学结构示意图，（b）感应器的电学原理图

具体地说，以Vm表示输入电压信号，Vs表示输出电压，Cs1与Cs2分别表示固定臂与可动臂之间的两个电容（见图6），则输入信号和输出信号之间的关系可表示为：

微加速度计的发展

微加速度计是微机电系统领域研究最早的器件之一。早在1979年Roylance和Angell就开始了微机械压阻式加速度计的研制，随后各种结构的压阻式加速度计相继出现，并且增加了自检功能和集成CMOS电路，测量方向也从单轴逐渐向多轴集成测量发展。另外，多轴单片集成加速度仍然是微机电加速度计研究的热点，自从Takao和Lemkin分别于1997年提出了采用体硅工艺和表面工艺的三轴集成检测方法以来，在单片三轴集成方面国外陆续做了不少的研究，但目前尚未有商业化产品。鉴于惯性器件所具有的优点，现已研制出大量的振动惯性器件及二次仪表，例如微型惯性测量组合。

由于微型惯性测量组合主要用于军事场合，涉及国家安全的领域，可见的报道较少，美国Draper实验室的微型惯性测量组合采用三个微硅陀螺、三个微硅加速计和附加电子电路构成的MIMU．使研究把加速度计和陀螺仪集成在一个单芯片上，减小微型惯性测量组合的耦合误差，缩小体积，提高其综合性能。

目前，微加速度计的研究主要集中在硅材料范围，然而由于硅压敏材料的压阻效应受温度影响较大，一定程度上限制了其灵敏度的提高，所以有待于寻找一种新的材料来突破硅微机电器件的极限，而GaAs 材料最有可能成为硅的替代材料，因为它具有一些比硅更加优越的特性[3]，研究表明GaAs 材料不仅具有很好的力学特性和电学特性，而且基于GaAs 压阻薄膜具有较高的压阻灵敏度，因此结合GaAs 材料特性的表面微加工技术和体微加工技术、有望制造出具有较高灵敏度、线性度等特性的微加速度计结构。

微加速度计的主要种类

微机械加速度计以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础，将电子原件和机械原件集成在一块芯片上，具有体积小、质量轻、成本低、能耗低、集成度高等一系列的优点。微加速度计的种类较多，主要如下：

1、按照质量的运动方式来划分的微机械加速度计分类如下：

2、按照检测质量的支承方式来划分的为机械加速度计分类如下：

3、按照信号检测的方式来划分的为机械加速度计分类如下：

4、按照加工工艺来划分的为机械加速度计分类如下：

5、按照结构形式划分的微机械加速度计分类如下：

6、按照材料划分的微机械加速度计分类如下：

7、按照敏感轴的数量划分的微机械加速度计分类如下：

几种典型的微加速度计比较

压阻式

压阻式加速度传感器通常采用压敏电阻作为敏感元件。压敏电阻的电阻率变化与质量块的位移有关。其工作原理是将被测加速度转换为硅材料的电阻率变化来进行加速度的测量。首次报道的微加速度传感器为压阻式，其示意图如图所示。最先商业化的微加速度传感器也为压阻式。

压阻式加速度传感器的结构通常很简单，加工工艺与 IC 技术兼容，具有良好的直流响应特性。但是灵敏度很小(在 20～50g 量程下约为 1～2mV/g) ，温度效应严重，动态范围有限。

电容式

电容式加速度传感器的敏感元件为固定电极和可动电极之间的电容器，是目前研究最多的一类加速度传感器，一般采用悬臂梁、固支梁或挠性轴结构，支撑一个当作电容动板电极的质量块，质量块与一个固定极板构成一个平板电容。其工作原理是在外部加速度作用下，校验质量块产生位移，这样就会改变质量块和电极之间的电容，将这种变化量用外围电路检测出来就可测量加速度的大小。一种电容式微加速度传感器的示意图如图所示。

电容式加速度传感器有许多优点，比如高灵敏度、良好的直流响应特性、低温度效应和低功率耗散。但是，由于传感器输出的高阻抗，电容式加速度传感器易受电磁干扰影响。

压电式

压电式加速度传感器的敏感元件是压电材料，压电材料直接将作用于质量块的力转换为电信号。压电式微加速度传感器的工作原理如图 3 所示。加速度传感器的质量块与压电材料相连，当输入加速度时，加速度通过质量块形成的惯性力加在压电材料上，使压电材料产生变形，压电材料产生的变形和由此产生的电荷(电压)与加速度成正比，输出电量经放大后就可检测出加速度大小。

压电式加速度传感器被认为是测量绝对振动的最好工具，因为与其他已知类型的加速度传感器相比，压电式加速度传感器有如下优点：动态范围宽，在全部动态范围内线性度好，频率范围宽，质量轻。但是，由于电荷泄漏，压电式加速度传感器不适于测量线(零频)加速度，将压电薄膜与泄漏路径绝缘，可以达到接近零频率的平坦响应。而且由于压电效应，压电式加速度传感器温度效应严重，使用差动敏感器件可以减小这种温度效应。

由南加州大学的 Q.Zou等人开发的单轴和三轴压电双晶加速度传感器，其中单轴灵敏度为 7.0mV/g，最小可探测信号为 0.01g；三轴的加速度传感器 X,Y 和 Z 轴的非放大灵敏度分别为 0.9，1.13 和 0.88mV/g。此三轴加速度传感器采用一种高度对称的四梁双压电晶片结构支撑一个质量块，使十字轴灵敏度减小。澳大利亚 Meltal 公司生产的 MS2100 系列压电式加速度传感器产品采用晶体电路，没有移动部件，因此不会产生磨损和退化，使用寿命很长，并且可以垂直、水平或以任何角度安装，可应用于要求对壳体加速度进行测量的关键旋转机械的绝对振动，如位移、速度、加速度等。

隧道电流式

隧道电流式微加速度传感器由于其潜在的高性能和广阔的应用需求，一直以来成为研究的热点。隧道电流式微加速度传感器的工作原理是利用电子势垒隧道效应，把输入的加速度转换为质量块的相对位移，再通过隧道效应将位移量转换为隧道电流的变化，最后用检测电路测出电流变化量从而获得相应加速度的大小。图为一种隧道电流式微加速度传感器。

隧道电流式微加速度传感器是加速度传感器在高灵敏度、高可靠性方面应用的一个典型代表，其频带宽、灵敏度极高，大约在 10－9g 左右，温度效应小，又由于质量块的机械活动范围小，因而线性度好，可靠性高。但是隧道电流式微加速度传感器信号噪声大，工作电压高，加工难度大，成品率不高。国内外许多研究机构在进一步增大隧道电流式微加速度传感器的灵敏度等方面做了很多研究工作，如 H.Dong 等人采用双面 ICP 制作了一种面外隧道电流式加速度传感器，降低了在面外方向由于 ICP 侵蚀构造产生的高虎克常数，从而增大了传感器的灵敏度。

谐振式

谐振式微加速度传感器的工作原理是利用加速度使谐振频率发生变化，从而测量出加速度。当传感器的平行梁形状改变时，刚度也会改变，两对谐振器分别感应惯性力，这会在谐振频率的变化上显示出来，使二者频率改变，比较这两个频率就可以测量出加速度的大小。谐振式微加速度传感器的独特优点是可以直接输出数字，测量精度极高，是一种很有前途和应用价值的微加速度传感器，但是制作工艺复杂。谐振式微加速度传感器能够满足某些领域如汽车行业对加速度传感器的高性能要求。其结构简图如图所示。

微加速度计的主要应用

微机械加速度计以其尺寸小、成本低的诱人特点不仅在传统应用领域得到的应用，而且在商业领域占据了广泛的市场。低成本加速度计的商业应用领域主要有：民用航空、车辆控制、高速铁路、机器人、工业自动化、探矿、玩具等等。

汽车安全装置

微机械加速度计在汽车上的应用包括安全控制功能，如车轮的操纵和自动刹车、气囊开启和防抱死系统等，从而组成高级安全汽车。

安全气囊是提高汽车行驶安全性的重要部件，是一种辅助的约束装置。微机械加速度计在汽车发生碰撞使加速度测量值急剧增大时发出控制信号，加速度计立即给气囊发送指令并及时弹出气囊使其迅速充气，置于司机、乘员与挡风玻璃或汽车车身之间，以保护车上的人员。

汽车防滑系统是微机械加速度计用于汽车安全的又一重要应用，该系统包括制动防抱死系统（ABS）、加速防滑控制系统（ASR）和牵引控制系统（TCS）。汽车在雨雪天气中的山路上行驶，容易发生侧滑而造成车毁人亡。如果在汽车上装有加速度计，一旦发生侧滑，在驾驶员反应之前，加速度信号可先通过汽车刹车系统进行紧急刹车。

此外，加速度计还可以用于汽车定位测量系统、自动导航系统、车速控制系统、车体移动防盗报警以及节油系统等方面，如今加速度计己经成为汽车中一个重要的零部件。

探矿测震

地层勘探是利用人工爆炸造成局部地震，在方圆上百公里的地区埋入上万只传感器测量地震波型及强度，以测定何处有何种矿产。随着地震勘探高分辨率、高保真等要求的提出，国外一直在研究新的地震信号检测技术。

试验资料表明，使用 MEMS技术的检波器所接收到的地震数据可以在最终叠加数据上保留低至 3Hz 的地震信号。此外，把 24 位模/数转换和微加速度传感器一起集成进检波器壳体，可以直接输出数字化的地震信号。微机械加速度计在灵敏度、体积、坚固度、噪声等方面都已经达到传统机械传感器的水平，并在频率响应、矢量保真度等方面比传统机械传感器有明显的改善，传感器的替代更新将不可避免。

机器人状态控制

对机器人控制系统来说，加速度是一个重要的状态变量。对于各自由度的位置控制，可利用加速度计获得机器人的加速度，对加速度进行一次积分可以获得机器人的速度，对加速度进行二次积分可获得机器人的位置，从而根据这些信息形成反馈校正。在机器人系统控制中，加速度计输出不仅可以直接作为加速度状态变量，用于现代控制理论的状态反馈进行系统综合，也可以作为经典控制理论的反馈校正，此时相当于串联校正中的 PID 校正（即超前滞后校正）。

在其他方面的应用

硅微机械加速度计的另一方面应用是心脏起搏器，先进的心脏起搏器设计中包含多个传感器，其中 1～2 只加速度计用来检测病人的运动，以使救护设备的输出适应病人的需求。此外高层建筑会因风力、地壳运动而产生摇晃，工业或海洋结构件会在外力作用下发生振动，水坝会在水压作用下发生滑移，这些都需要监控。我们用微机械加速度计组成测斜仪，放在建筑物上，或者通过埋在水坝上的导管置入水坝体中，它就能时刻监视建筑物、水坝、斜坡等的变化，测量出所在平台的倾斜度，及时报告倾斜信息，以防止建筑物倒塌、水坝溃决、滑坡等事故造成的损失。

随着加速度计的不断发展，加速度计的应用领域也越来越广，在仪器仪表、设备检测、方向测量、倾角和摇摆测量、工业振动检测、贵重物品防摔、运动员辅助训练等中也发挥着重要的作用。目前加速度计厂家开始把目光投向了前景更为广阔的消费电子产品，尤其是便携式设备市场。美国模拟器件公司（ADI）日前新推出了3轴MEMS加速度计首款产品ADXL330，利用 3 轴 MEMS 加速度计开发出的新型应用有：带有运动检测和状态感知的手机以监视手机所在位置和被使用状况；带有硬盘保护系统的笔记本计算机和媒体播放器；可移动游戏机，通过改善当前游戏的界面和开发新的基于运动的游戏而提供更多的互动、直观和趣味的游戏体验；数码相机，通过检测位置、运动和振动而自动地帮助用户更好地拍照。这些都表明了加速度计的应用前景是极为广阔的。

微加速度计的存在问题及发展趋势

微机电系统技术的进步和工艺水平的提高，也给微机械加速度计的发展带来了新的机遇，通过了解国内外微机械加速度计的研究动态，总结出微机械加速度计以下几点发展趋势：

1、高分辨率和大量程的微硅加速度计成为研究的重点。由于惯性质量块比较小，所以用来测量加速度和角速度的惯性力也相应比较小，系统的灵敏度相对较低，这样开发出高灵敏度的加速度计显得尤为重要。无论是民用还是军事用途，精度高、量程大的微机械加速度计将会大大拓宽其运用范围。目前在航空航天及军事上应用的加速度计的精度一般在 10 g～10-6之间，民用的加速度计精度则要低一些。

2、多轴加速度计的开发成为新的方向。惯性测量组合有六个输出变量，其中三个是相互正交的 X、Y、Z 三轴上的加速度。已有文献报道开发出三轴微硅加速度计，其所用的方法也各不相同，但是其性能离实用还有一段距离，多轴加速度计的解祸是结构设计中的一个难点。

3、数字化输出和具备通信能力的微弱信号集成电路。为了获得高分辨率，电路应能检测 aF （10法拉）量级变化的微弱信号，这在对体积有着严格要求的仪表集成电路是一个极大的挑战。另外随着信息化网络化的发展，数字化输出和具备通信能力也成为微机械加速度计的发展方向。其输出可以直接进入计算机，也便于用在诸如传感器阵列、嵌入式器件等应用场合。

4、温漂小、迟滞效应小成为新的性能目标。选择合适的材料，采用合理的结构，以及应用新的低成本温度补偿环节，能够大幅度提高微机械加速度计的精度。

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