微加速度传感器的研究

1、 湖南大学课程设计(论文) HUNAN UNIVERSITY课 程 论 文 论文题目微加速度传感器的研究 学生姓名 学生学号 专业班级 学院名称 指导老师 手机号码 邮箱2015年1月13日第 II 页 湖南大学课程设计(论文) 微加速度传感器的研究摘要：本文介绍了微加速度传感器的研究现状、基本的原理以及微加速度传感器的分类和发展趋势。使我们更加的了解微加速度传感器。重点论述了微加速度传感器的特点，它在民用领域和军用领域的不同应用，并对微加速度传感器领域内一些新的进展进行了讨论，指出了微加速度传感器的发展趋势。Abstract: This paper introduces the resear

2、ch status of micro-accelerometer, classification and trends as well as the basic principles of micro-accelerometer. Make us more understanding of the micro-accelerometer. Focuses on the characteristics of micro-accelerometer, which is applied in different fields of civil and military fields, and mic

3、ro-accelerometer sensor within a number of new developments in the field are discussed, and pointing out that the trend of micro-accelerometer.关键字：微加速度 传感器前言：传感器(英文：transducer/sensor)指的是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、

4、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。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(Micro Mechanic

5、al Accelerometer，MMA)的问世，这种状况才发生了改变。随着微机电系统技术的发展，微加速度计制作技术越来越成熟。微加速度计与通常的加速度计相比，具有很多优点：体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。 当前国内在加速度技术上仍沿用传统的压电技术，精度停留在 5×10-5g水平上，而且尺寸偏大，重量偏重，影响我国惯导技术的先进性。近年来国内虽然有多个单位MEMS微加速度计进行了研究，但在精度上仍未取得突破，大体上只能达到 10-1g的水平。 目录1 微加速度传感器概述及发展现状 11.1 微加速度传感器的工作原理 11.2 微加速度传感器的特点 11.3 几种典型的微

6、加速度传感器的比较 1 1.3.1 压阻式 11.3.2 电容式 21.3.3 压电式 31.3.4 隧道电流式 31.3.5 谐振式 41.4 微加速度传感器的发展现状 51.4.1国外 MEMS 加速度传感器的发展现状 5 1.4.2我国 MEMS 加速度传感器的发展现状 5 2微加速度传感器的存在问题及发展趋势 63结束语 64参考文献 7 第 6 页 湖南大学课程设计(论文) 1 微加速度传感器概述及发展现状 1.1 微加速度传感器的工作原理 MEM加速度传感器是以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础，在单晶硅片上制造出来的微机电系统，包括微机械加速度计、微机械陀螺仪和微惯性测量组合(M

7、IMU)。微加速度传感器的工作原理是经典力学中的牛顿定律，其功能是测量运动物体(如车辆、飞机、导弹、舰艇、人造卫星等)的质心运动和姿态运动，进而可以对运动物体实现控制和导航。MEMS 微加速度传感器与非MEMS微加速度传感器相比，其体积和价格可减少几个数量级，对国防具有重大战略意义。基于 MEMS 加速度传感器建低成本、高性能的微型惯性导航系统正在成为当前惯性技术领域的一个研究热点。 1.2 微加速度传感器的特点 MEMS 加速度传感器是惯性器件的一个大的种类，以其制造采用集成电路的加工工艺而明显地区别于其他惯性传感器，其优点主要在于寿命更长、制造成本低廉且可靠性更高。此外，还具有体积更小、重

8、量更轻、耗电量更小、易集成、能大批量生产等优点。MEMS 加速度传感器与液浮、气浮机械陀螺和激光、光纤等光学陀螺相比，在性能方面还有差距，但其性能提高得很快。据预测，MEMS 陀螺的性能极限是 0.01°/h。目前MEMS 加速度传感器的性能已达到中等精度，其中微机械振动陀螺已被验证的分辨率约为(1°100°)/h，微机械加速度计的偏置稳定性已达 23g，能满足大量战术武器的使用要求。 1.3 几种典型的微加速度传感器的比较 1.3.1 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

9、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 1 所示。最先商业化的微加速度传感器也为压阻式。 图1首次报道的压阻式微加速度传感器 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 2050g 量程下约为 12mV/g) ，温度效应严重，动态范围有限。 1.3.2 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

10、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 2 所示。 图2一种典型的电容式微加速度传感器结构 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。 1.3.3 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

11、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。 图3压电式微加速度传感器原理示意图 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

12、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。 1.3.4 隧道电流式 隧道电流式微加速度传感器由于其潜在的高

13、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 4 为一种隧道电流式微加速度传感器。 图4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 109g 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

14、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。 1.3.5 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

15、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，国外许多文献对谐振式加速度传感器有所报道，但是文献数量较少。在国内，清华大学微电子所于 1999 年研究了一种新型的谐振式硅微加速度传感器，以较低的成本获得了很高的器件性能。北京航空航天大学的郭占社设计了一种用于对运动载体的运动线加速度进行测试的谐振式加速度传感器，该传感器采用差动式双端固支音叉作为敏感元件，从结构设计上提高了传感器的精度，其结构简图如图 5所示。 图5谐振式加速度传感器结构简图 1.4 微加速度传感器的发展现状 1.4.1国外 MEMS 加速度传感器的发展现状 20 世纪 80 年代以来，美、

16、德、法、俄等国家的一些公司相继开展微硅陀螺、微硅加速度计等微型惯性仪表的研究，并进行微型惯性测量组合的研究。美国在 MEMS 加速度传感器以及微型导航系统技术方面处于世界领先地位。随着 MEMS 技术的发展，微机械惯性器件的研究取得了很大的进展。目前已有微型加速度计和微型硅陀螺仪的商品生产，体积和重量均很小，但尚需提高精度。美国模拟器件公司(ADI 公司)的集成加速度计是微机械与微电子集成的标志性产品，主要用于汽车防撞气囊的弹出控制，年产值超过 2亿美元。ADI公司基于MEMS技术的惯性传感器供货量已达到2亿只。NJM公司正在研制使用MEMS技术的战术级IMU，与现有装置相比，成本大幅降低，体

17、积大为减小，功耗也更小。MEMS 加速度感器正在向精度更高和集成度更高的方向发展，其中 MEMS 陀螺的发展尤为明显。MEMS加速度计是所有 MEMS 传感器中商业市场化最为成功的，它在精度方面已能满足战略导弹的应用要求。微机械加速度计在工程上达到的精度为 1×10-4g，潜在精度还可以提高一个数量级。MEMS 陀螺的性能也接近或达到战术级导航的水平。微机械陀螺的分辨率达到(1°100°)/h，在工程上可以实现 10°/h 的精度。石英微机械陀螺已批量生产，有的硅微陀螺已实用化。尽管也开发出来一些高精度的微机械加速度计，但其价格昂贵，从整体上来说精度水平

18、还不很高。MEMS 加速度传感器件在结构设计、制造技术、电路构成、集成、封装及试验系统等方面仍然存在一定问题，有待进一步解决。高精度、抗恶劣环境和多传感器一体化集成是 MEMS 传感器的研究热点和发展方向，器件的设计和生成工具也是研究的一个重要方面。 1.4.2我国 MEMS 加速度传感器的发展现状 我国从 20 世纪 80 年代末开始了 MEMS 技术的研究，包括硅微型压力传感器、微型电机和微型泵。10 多年来研究队伍逐步扩大，本世纪初已形成 40多个单位的 50 多个研究小组， 在 MEMS 传感器方面开展了大量的研究工作，取得了长足的进步。MEMS研究方向包括：微型惯性器件和惯性测量组合

19、；机械量微型传感器和制动器；微流量器件和系统；生物传感器、生物芯片和微操作系统；微型机器人；硅和非硅制造工艺。国内公开发表文献表明，我国研制的振动轮式机械陀螺零偏稳定性达到 70°/h，随机游走噪声达到 30°/。但由于基础研究的薄弱，技术人员的缺乏，技术和资金投入的不足，我国在各个技术方面与国外发达国家相比还有一定的差距，主要体现在批量生产时性能的稳定性和器件的完好率都有待于提高。 2 微加速度传感器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

20、（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 g10-6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