《電子技術應用》
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硅微加速度計概述
摘要: 隨著MEMS技術的發展,慣性傳感器件在過去的幾年中成為最成功,應用最廣泛的微機電系統器件之一,而微加速度計(microaccelerometer)是慣性傳感器件的杰出代表。微加速度計的理論基礎是牛頓第二定律,根據基本的物理原理,在一個系統內部,速度是無法測量的,但卻可以測量其加速度。如果初速度已知,就可以通過積分計算出線速度,進而可以計算出直線位移。結合陀螺儀(用來測角速度),構成微型慣性測量單元(MIMU),就可以對物體進行精確定位。根據這一原理,人們很早就利用加速度計和陀螺進行輪船,飛機和航天器的導航,近年來,人們又把這項技術用于汽車的自動駕駛和導彈的制導。汽車工業的迅速發展又給加速度計找到了新的應用領域,汽車的防撞氣囊(Air Bag)就是利用加速度計來控制的。
Abstract:
Key words :

     隨著MEMS技術的發展,慣性傳感器件在過去的幾年中成為最成功,應用最廣泛的微機電系統器件之一,而微加速度計(microaccelerometer)是慣性傳感器件的杰出代表。微加速度計的理論基礎是牛頓第二定律,根據基本的物理原理,在一個系統內部,速度是無法測量的,但卻可以測量其加速度。如果初速度已知,就可以通過積分計算出線速度,進而可以計算出直線位移。結合陀螺儀(用來測角速度),構成微型慣性測量單元(MIMU),就可以對物體進行精確定位。根據這一原理,人們很早就利用加速度計和陀螺進行輪船,飛機和航天器的導航,近年來,人們又把這項技術用于汽車的自動駕駛和導彈的制導。汽車工業的迅速發展又給加速度計找到了新的應用領域,汽車的防撞氣囊(Air Bag)就是利用加速度計來控制的。

    硅微加速度計的類型較多,按檢測質量的運動方式來分,有角振動式和線振動式加速度計;按檢測質量支承方式來分,有扭擺式、懸臂梁式和彈簧支承方式;按信號檢測方式來分,有電容式、電阻式和隧道電流式;按控制方式來分,有開環和閉環式之分。

    開環加速度計的測量系統是開環的(或稱為開口的)。加速度值經過敏感元件、信號器、放大器變成電信號直接輸出。對應于每一個被測量的加速度值,開環加速度計便有一個輸出值與之對應。為了滿足實際應用的需要,開環加速度計必須精確地予以校準,并且在工作過程中,保持這種校準值不發生變化,開環加速度計的抗干擾能力較差,在出現擾動(外界干擾)時就會對測量精度有較大的影響,一般來說,精度也較低,開環加速度計的優點是構造簡單、容易維護,成本較低。

    閉環加速度計又稱力平衡加速度計、力反饋加速度計、帶有補償系統的加速度計,或伺服加速度計。這類加速度計的測量系統是閉口的,被測加速度經敏感元件、信號器、放大器等變成電信號,加給對檢測質量有控制作用的力(或力矩)發生器。也就是說,采用了反饋,把輸出量與輸入量進行比較,構成了一個閉環控制系統。閉環加速度計的抗干擾能力較強,測量精度較高,又由于有反饋作用,使檢測質量始終工作在零位附近,從而可以擴大量程。在慣性導航和制導系統中,廣泛采用閉環加速度計。

    而如今,微加速度傳感器廣泛應用叉指結構,叉指結構式微加速度傳感器具有靈敏度高、溫度穩定性好、結構相對簡單、功耗比較小、直流特性好等特點,但是容易受到電磁干擾。該類型的加速度計可以通過叉指結構增加檢測電容,而且可以制作反饋結構,實現閉環控制,利于精度的提高。此外,此類型微加速度計的制作方法基本上與大規模集成電路的工藝技術相互兼容。綜上述的特點,叉指式微加速度計具有很高的研究價值。

    作為最成熟的慣性傳感器應用,現在的MEMS加速度計有非常高的集成度,即傳感系統與接口線路集成在一個芯片上。

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