微加速度傳感器的研究

1、 湖南大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) HUNAN UNIVERSITY課 程 論 文 論文題目微加速度傳感器的研究 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 專業(yè)班級(jí) 學(xué)院名稱 指導(dǎo)老師 手機(jī)號(hào)碼 郵箱2015年1月13日第 II 頁(yè) 湖南大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) 微加速度傳感器的研究摘要：本文介紹了微加速度傳感器的研究現(xiàn)狀、基本的原理以及微加速度傳感器的分類和發(fā)展趨勢(shì)。使我們更加的了解微加速度傳感器。重點(diǎn)論述了微加速度傳感器的特點(diǎn)，它在民用領(lǐng)域和軍用領(lǐng)域的不同應(yīng)用，并對(duì)微加速度傳感器領(lǐng)域內(nèi)一些新的進(jìn)展進(jìn)行了討論，指出了微加速度傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。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.關(guān)鍵字：微加速度 傳感器前言：傳感器(英文：transducer/sensor)指的是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、

4、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。 傳感器是以一定的精度和規(guī)律把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。在20 世紀(jì) 40 年代初，由德國(guó)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(lái)，由于航天、航空和航海領(lǐng)域?qū)T性測(cè)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?wèn)津。 直到微機(jī)械加速度計(jì)(Micro Mechanic

5、al Accelerometer，MMA)的問(wèn)世，這種狀況才發(fā)生了改變。隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，微加速度計(jì)制作技術(shù)越來(lái)越成熟。微加速度計(jì)與通常的加速度計(jì)相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性好等。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)在加速度技術(shù)上仍沿用傳統(tǒng)的壓電技術(shù)，精度停留在 5×10-5g水平上，而且尺寸偏大，重量偏重，影響我國(guó)慣導(dǎo)技術(shù)的先進(jìn)性。近年來(lái)國(guó)內(nèi)雖然有多個(gè)單位MEMS微加速度計(jì)進(jìn)行了研究，但在精度上仍未取得突破，大體上只能達(dá)到 10-1g的水平。 目錄1 微加速度傳感器概述及發(fā)展現(xiàn)狀 11.1 微加速度傳感器的工作原理 11.2 微加速度傳感器的特點(diǎn) 11.3 幾種典型的微

6、加速度傳感器的比較 1 1.3.1 壓阻式 11.3.2 電容式 21.3.3 壓電式 31.3.4 隧道電流式 31.3.5 諧振式 41.4 微加速度傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 51.4.1國(guó)外 MEMS 加速度傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 5 1.4.2我國(guó) MEMS 加速度傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 5 2微加速度傳感器的存在問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì) 63結(jié)束語(yǔ) 64參考文獻(xiàn) 7 第 6 頁(yè) 湖南大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) 1 微加速度傳感器概述及發(fā)展現(xiàn)狀 1.1 微加速度傳感器的工作原理 MEM加速度傳感器是以集成電路工藝和微機(jī)械加工工藝為基礎(chǔ)，在單晶硅片上制造出來(lái)的微機(jī)電系統(tǒng)，包括微機(jī)械加速度計(jì)、微機(jī)械陀螺儀和微慣性測(cè)量組合(M

7、IMU)。微加速度傳感器的工作原理是經(jīng)典力學(xué)中的牛頓定律，其功能是測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體(如車輛、飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦艇、人造衛(wèi)星等)的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而可以對(duì)運(yùn)動(dòng)物體實(shí)現(xiàn)控制和導(dǎo)航。MEMS 微加速度傳感器與非MEMS微加速度傳感器相比，其體積和價(jià)格可減少幾個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)國(guó)防具有重大戰(zhàn)略意義。基于 MEMS 加速度傳感器建低成本、高性能的微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)正在成為當(dāng)前慣性技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 1.2 微加速度傳感器的特點(diǎn) MEMS 加速度傳感器是慣性器件的一個(gè)大的種類，以其制造采用集成電路的加工工藝而明顯地區(qū)別于其他慣性傳感器，其優(yōu)點(diǎn)主要在于壽命更長(zhǎng)、制造成本低廉且可靠性更高。此外，還具有體積更小、重

8、量更輕、耗電量更小、易集成、能大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。MEMS 加速度傳感器與液浮、氣浮機(jī)械陀螺和激光、光纖等光學(xué)陀螺相比，在性能方面還有差距，但其性能提高得很快。據(jù)預(yù)測(cè)，MEMS 陀螺的性能極限是 0.01°/h。目前MEMS 加速度傳感器的性能已達(dá)到中等精度，其中微機(jī)械振動(dòng)陀螺已被驗(yàn)證的分辨率約為(1°100°)/h，微機(jī)械加速度計(jì)的偏置穩(wěn)定性已達(dá) 23g，能滿足大量戰(zhàn)術(shù)武器的使用要求。 1.3 幾種典型的微加速度傳感器的比較 1.3.1 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(cè)加速度轉(zhuǎn)換為

9、硅材料的電阻率變化來(lái)進(jìn)行加速度的測(cè)量。 首次報(bào)道的微加速度傳感器為壓阻式，其示意圖如圖 1 所示。最先商業(yè)化的微加速度傳感器也為壓阻式。 圖1首次報(bào)道的壓阻式微加速度傳感器 壓阻式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)通常很簡(jiǎn)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 2050g 量程下約為 12mV/g) ，溫度效應(yīng)嚴(yán)重，動(dòng)態(tài)范圍有限。 1.3.2 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

10、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(cè)出來(lái)就可測(cè)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 2 所示。 圖2一種典型的電容式微加速度傳感器結(jié)構(gòu) 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。 1.3.3 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(guò)質(zhì)量塊形成的慣性力加在壓

11、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(cè)出加速度大小。 圖3壓電式微加速度傳感器原理示意圖 壓電式加速度傳感器被認(rèn)為是測(cè)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(cè)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(kāi)發(fā)的單軸和三軸

12、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(cè)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(méi)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(zhǎng)，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(cè)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。 1.3.4 隧道電流式 隧道電流式微加速度傳感器由于其潛在的高

13、性能和廣闊的應(yīng)用需求，一直以來(lái)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(shì)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(guò)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(cè)電路測(cè)出電流變化量從而獲得相應(yīng)加速度的大小。圖 4 為一種隧道電流式微加速度傳感器。 圖4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 109g 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(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)

14、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。 1.3.5 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(cè)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(lái)，使二者頻率改變，比較這兩個(gè)頻率就可以測(cè)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(cè)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

15、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，國(guó)外許多文獻(xiàn)對(duì)諧振式加速度傳感器有所報(bào)道，但是文獻(xiàn)數(shù)量較少。在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)微電子所于 1999 年研究了一種新型的諧振式硅微加速度傳感器，以較低的成本獲得了很高的器件性能。北京航空航天大學(xué)的郭占社設(shè)計(jì)了一種用于對(duì)運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)動(dòng)線加速度進(jìn)行測(cè)試的諧振式加速度傳感器，該傳感器采用差動(dòng)式雙端固支音叉作為敏感元件，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上提高了傳感器的精度，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 5所示。 圖5諧振式加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1.4 微加速度傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 1.4.1國(guó)外 MEMS 加速度傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，美、

16、德、法、俄等國(guó)家的一些公司相繼開(kāi)展微硅陀螺、微硅加速度計(jì)等微型慣性儀表的研究，并進(jìn)行微型慣性測(cè)量組合的研究。美國(guó)在 MEMS 加速度傳感器以及微型導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位。隨著 MEMS 技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)械慣性器件的研究取得了很大的進(jìn)展。目前已有微型加速度計(jì)和微型硅陀螺儀的商品生產(chǎn)，體積和重量均很小，但尚需提高精度。美國(guó)模擬器件公司(ADI 公司)的集成加速度計(jì)是微機(jī)械與微電子集成的標(biāo)志性產(chǎn)品，主要用于汽車防撞氣囊的彈出控制，年產(chǎn)值超過(guò) 2億美元。ADI公司基于MEMS技術(shù)的慣性傳感器供貨量已達(dá)到2億只。NJM公司正在研制使用MEMS技術(shù)的戰(zhàn)術(shù)級(jí)IMU，與現(xiàn)有裝置相比，成本大幅降低，體

17、積大為減小，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發(fā)展，其中 MEMS 陀螺的發(fā)展尤為明顯。MEMS加速度計(jì)是所有 MEMS 傳感器中商業(yè)市場(chǎng)化最為成功的，它在精度方面已能滿足戰(zhàn)略導(dǎo)彈的應(yīng)用要求。微機(jī)械加速度計(jì)在工程上達(dá)到的精度為 1×10-4g，潛在精度還可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。MEMS 陀螺的性能也接近或達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級(jí)導(dǎo)航的水平。微機(jī)械陀螺的分辨率達(dá)到(1°100°)/h，在工程上可以實(shí)現(xiàn) 10°/h 的精度。石英微機(jī)械陀螺已批量生產(chǎn)，有的硅微陀螺已實(shí)用化。盡管也開(kāi)發(fā)出來(lái)一些高精度的微機(jī)械加速度計(jì)，但其價(jià)格昂貴，從整體上來(lái)說(shuō)精度水平

18、還不很高。MEMS 加速度傳感器件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)、電路構(gòu)成、集成、封裝及試驗(yàn)系統(tǒng)等方面仍然存在一定問(wèn)題，有待進(jìn)一步解決。高精度、抗惡劣環(huán)境和多傳感器一體化集成是 MEMS 傳感器的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向，器件的設(shè)計(jì)和生成工具也是研究的一個(gè)重要方面。 1.4.2我國(guó) MEMS 加速度傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)從 20 世紀(jì) 80 年代末開(kāi)始了 MEMS 技術(shù)的研究，包括硅微型壓力傳感器、微型電機(jī)和微型泵。10 多年來(lái)研究隊(duì)伍逐步擴(kuò)大，本世紀(jì)初已形成 40多個(gè)單位的 50 多個(gè)研究小組， 在 MEMS 傳感器方面開(kāi)展了大量的研究工作，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。MEMS研究方向包括：微型慣性器件和慣性測(cè)量組合

19、；機(jī)械量微型傳感器和制動(dòng)器；微流量器件和系統(tǒng)；生物傳感器、生物芯片和微操作系統(tǒng)；微型機(jī)器人；硅和非硅制造工藝。國(guó)內(nèi)公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn)表明，我國(guó)研制的振動(dòng)輪式機(jī)械陀螺零偏穩(wěn)定性達(dá)到 70°/h，隨機(jī)游走噪聲達(dá)到 30°/。但由于基礎(chǔ)研究的薄弱，技術(shù)人員的缺乏，技術(shù)和資金投入的不足，我國(guó)在各個(gè)技術(shù)方面與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定的差距，主要體現(xiàn)在批量生產(chǎn)時(shí)性能的穩(wěn)定性和器件的完好率都有待于提高。 2 微加速度傳感器的存在問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì) 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(lái)了新的機(jī)遇通過(guò)了解國(guó)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(shì)

20、（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(lái)測(cè)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(kāi)發(fā)出高靈敏度的加速度計(jì)顯得尤為重要。無(wú)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 g10-6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(kāi)發(fā)成為新的方向。慣性測(cè)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(kāi)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(cè) 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