《電子技術(shù)應(yīng)用》
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硅微加速度計(jì)概述
摘要: 隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展,慣性傳感器件在過(guò)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)(microaccelerometer)是慣性傳感器件的杰出代表。微加速度計(jì)的理論基礎(chǔ)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(wú)法測(cè)量的,但卻可以測(cè)量其加速度。如果初速度已知,就可以通過(guò)積分計(jì)算出線(xiàn)速度,進(jìn)而可以計(jì)算出直線(xiàn)位移。結(jié)合陀螺儀(用來(lái)測(cè)角速度),構(gòu)成微型慣性測(cè)量單元(MIMU),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(lái),人們又把這項(xiàng)技術(shù)用于汽車(chē)的自動(dòng)駕駛和導(dǎo)彈的制導(dǎo)。汽車(chē)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(chē)的防撞氣囊(Air Bag)就是利用加速度計(jì)來(lái)控制的。
Abstract:
Key words :

     隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展,慣性傳感器件在過(guò)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)(microaccelerometer)是慣性傳感器件的杰出代表。微加速度計(jì)的理論基礎(chǔ)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(wú)法測(cè)量的,但卻可以測(cè)量其加速度。如果初速度已知,就可以通過(guò)積分計(jì)算出線(xiàn)速度,進(jìn)而可以計(jì)算出直線(xiàn)位移。結(jié)合陀螺儀(用來(lái)測(cè)角速度),構(gòu)成微型慣性測(cè)量單元(MIMU),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(lái),人們又把這項(xiàng)技術(shù)用于汽車(chē)的自動(dòng)駕駛和導(dǎo)彈的制導(dǎo)。汽車(chē)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(chē)的防撞氣囊(Air Bag)就是利用加速度計(jì)來(lái)控制的。

    硅微加速度計(jì)的類(lèi)型較多,按檢測(cè)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)方式來(lái)分,有角振動(dòng)式和線(xiàn)振動(dòng)式加速度計(jì);按檢測(cè)質(zhì)量支承方式來(lái)分,有扭擺式、懸臂梁式和彈簧支承方式;按信號(hào)檢測(cè)方式來(lái)分,有電容式、電阻式和隧道電流式;按控制方式來(lái)分,有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)式之分。

    開(kāi)環(huán)加速度計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)的(或稱(chēng)為開(kāi)口的)。加速度值經(jīng)過(guò)敏感元件、信號(hào)器、放大器變成電信號(hào)直接輸出。對(duì)應(yīng)于每一個(gè)被測(cè)量的加速度值,開(kāi)環(huán)加速度計(jì)便有一個(gè)輸出值與之對(duì)應(yīng)。為了滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要,開(kāi)環(huán)加速度計(jì)必須精確地予以校準(zhǔn),并且在工作過(guò)程中,保持這種校準(zhǔn)值不發(fā)生變化,開(kāi)環(huán)加速度計(jì)的抗干擾能力較差,在出現(xiàn)擾動(dòng)(外界干擾)時(shí)就會(huì)對(duì)測(cè)量精度有較大的影響,一般來(lái)說(shuō),精度也較低,開(kāi)環(huán)加速度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、容易維護(hù),成本較低。

    閉環(huán)加速度計(jì)又稱(chēng)力平衡加速度計(jì)、力反饋加速度計(jì)、帶有補(bǔ)償系統(tǒng)的加速度計(jì),或伺服加速度計(jì)。這類(lèi)加速度計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)是閉口的,被測(cè)加速度經(jīng)敏感元件、信號(hào)器、放大器等變成電信號(hào),加給對(duì)檢測(cè)質(zhì)量有控制作用的力(或力矩)發(fā)生器。也就是說(shuō),采用了反饋,把輸出量與輸入量進(jìn)行比較,構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)加速度計(jì)的抗干擾能力較強(qiáng),測(cè)量精度較高,又由于有反饋?zhàn)饔?,使檢測(cè)質(zhì)量始終工作在零位附近,從而可以擴(kuò)大量程。在慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)中,廣泛采用閉環(huán)加速度計(jì)。

    而如今,微加速度傳感器廣泛應(yīng)用叉指結(jié)構(gòu),叉指結(jié)構(gòu)式微加速度傳感器具有靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、功耗比較小、直流特性好等特點(diǎn),但是容易受到電磁干擾。該類(lèi)型的加速度計(jì)可以通過(guò)叉指結(jié)構(gòu)增加檢測(cè)電容,而且可以制作反饋結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,利于精度的提高。此外,此類(lèi)型微加速度計(jì)的制作方法基本上與大規(guī)模集成電路的工藝技術(shù)相互兼容。綜上述的特點(diǎn),叉指式微加速度計(jì)具有很高的研究?jī)r(jià)值。

    作為最成熟的慣性傳感器應(yīng)用,現(xiàn)在的MEMS加速度計(jì)有非常高的集成度,即傳感系統(tǒng)與接口線(xiàn)路集成在一個(gè)芯片上。

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