微机械加速度计

1、微机械加速度计程波 蒙雁琦 张瑞平 陈逸云2013/12/8加速度计：一种以牛顿惯性定律为理论基础的惯性器件，用来测量运载体的加速度值。 微机械加速度计是采用微加工技术制造出来的一种微型加速度计，是惯性测量和导航系统的主要惯性元件之一。V2在第二次世界大战末期，德国科学家裴纳蒙德采用原始型惯性基准，在V2型火箭上安装了用于控制发动机熄火装置的积分线加速度计，成功地发射了V-2型火箭，这是世界上第一个实际使用的惯导系统。民兵大力神摆式积分陀螺加速度计超军旗舰载机（法）F-16（美）AGM-69挠性加速度计自加速度及问世以来的半个多世纪，其应用主要局限于军事领域。直到近年来，在微米/纳米技术前沿技

2、术的推动下，以集成电路工艺与微机械加工工艺为基础的微机械加速度计的问世，使得加速度计成为微型惯性测量组合的核心元件之一，并迅速地应用到民用领域。分类按质量的运动方式角震动方式加速度计线震动方式加速度计按检测质量的支承方式扭摆式加速度计悬臂梁式加速度计弹簧支撑式加速度计按信号检测的方式电容式加速度计电阻式加速度计电流式加速度计热对流式加速度计隧道电流式加速度计按控制方式开环式加速度计闭环式加速度计按加工工艺微机械表面工艺加速度计微机械体工艺加速度计LIGA工艺微机械加速度计LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术，主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。按结构

3、形式梳齿式微机械加速度计跷跷板式微机械加速度计三明治式微机械加速度计按材料硅微机械加速度计石英微机械加速度计金属微机械加速度计按敏感轴的数量单轴微机械加速度计双轴微机械加速度计三轴微机械加速度计工作原理工作原理是根据牛顿第二定律，当有加速度输入时，质量块由于惯性力作用而发生位移，位移变化量与输入加速度的大小有确定的对应关系，可以描述一个单自由度二阶弹簧阻尼振动系统。系统的数学模型即为：式中，x为位移，k为等效弹性系数，c为等效阻尼系数，m等效惯性质量，输入加速度。根据式（1）可以求出位移量和输入加速度的关系公式：2244112212ccmccmmmamxqeqek 其中，q1和q2是积分常数，

4、决定于系统的边界条件。工艺过程1 微机械加速度计表头微机械表头的加工工艺隶属于半导体集成电路工艺范畴，每批加速度计表头生产出来后，需要经过筛选和功能测试。测试的主要项目有预载电压、机械零位和闭环特性，测试结果做为后续电路调试的依据。2 电路板的装配和调试电路板元件为手工装配，所选用的元件外形都是手工能够贴装的最小尺寸，焊接采用热风回流焊接机完成。为了进一步减小体积，采用管芯装配工艺和专用集成电路设计(ASIC，application specific integrated circuits)是比较捷径的方案。 电路调试主要依靠基础测量仪器来完成，主要有数字电压表、函数发生器、频谱分析仪和专用计

5、算机数据采集系统以及数据处理软件。需要调整的主要参数有正负电源的对称性，预载电压与表头测试的预载电压相匹配，用时域分析法测试电路的频率特性，使超调量、阻尼比和响应时间符合系统要求等。合格的电路板与表头进行二次回流焊接后，进行闭环性能测试和模型参数测试，最后采用平面封焊机完成密封，形成成品微机械加速度计。3 动态、静态、以及环境适应性试验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。1 汽车安全装置自动刹车，防抱死安全气囊自动导航系统

6、车速控制系统2 探矿测震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。目前已见报道的有美国Input/Outpt System公司己成功开发的微机电系统结构的新型地震检波器。这种检波器采用了MEMS(微机电系统)技术的加速度传感器,使地震检波器的性能指标有了很大的提高。3 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)。4 其他应用心脏起搏器测斜仪运动员辅助训练设备手机数码相机发展趋势(l)高分辨率和大量程的微硅加速度计成为研究的重点(2)多轴加速度计的开发成为新的方向(3)数字化输出和具备通信能力的微弱信号集成电路(4)温漂小、迟滞效应小成为新的性能目标(5)将微机械加速度计表头和信号处理电路集成在单片基体上(6)选择合理的工艺手段和材料(