【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 應(yīng)的加速度成比例的。在加速度傳感器內(nèi)部有兩條完全相同的加速度信號(hào)傳輸路徑：一條是用于測(cè)量 x 軸上所感應(yīng)的加速度，另一條則用于測(cè)量 y 軸上所感應(yīng)的加速度（見(jiàn)圖 31） 。江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文6 圖 31 熱對(duì)流加速計(jì)的原理示意圖 優(yōu)點(diǎn) 傳統(tǒng)的容感式加速度計(jì)是以兩個(gè)相對(duì)排列的叉狀陣列作為電容的兩極，外界加速度使可移動(dòng)極（重力塊）與固定極發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，從而使兩極間的電容量發(fā)生變化，再通過(guò)一定的電路（如可變電容振蕩器）將此變化量轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。從容感式加速度計(jì)的基本工作原理可以清楚地看出，熱對(duì)流式加速度計(jì)在以下幾個(gè)與可靠性相關(guān)的方面具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)： 1）抗沖擊能力，熱對(duì)流式加速度計(jì)是以虛擬的懸浮于空中的熱氣團(tuán)作為重力塊。在微機(jī)械結(jié)構(gòu)上沒(méi)有可活動(dòng)的部分，其獨(dú)特的橋式結(jié)構(gòu)牢牢地固定在硅芯片上。從而使其能夠抵抗大于 50,000g 的沖擊。 2）極間粘連失效，容感式加速度計(jì)兩極的相對(duì)距離非常近，為了保證可移動(dòng)極（重力塊）來(lái)回移動(dòng)， 勢(shì)必要在其底部和頂部留下一定的空隙，使其成懸空狀。因此在實(shí)際應(yīng)用中由于震動(dòng)而出現(xiàn)極間粘連在所難免。 3）極小微粒引起的失效，半導(dǎo)體制造過(guò)程中微粒數(shù)量的控制與制造成本成反比。微粒數(shù)量越少，凈化級(jí)別越高，制造成本越高。容感式加速度計(jì)特殊的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其抵抗極小微粒的能力大大下降。如果一顆極小微粒落在兩極之間，電容的容值將發(fā)生突變，從而使輸出信號(hào)的零點(diǎn)出現(xiàn)巨大偏移，器件失效。一些原本落在其它部位的微小顆粒，在實(shí)際使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生移動(dòng)，極有可能落在兩極之間。巨大而密集的叉狀陣列的存在使得容感式加速度計(jì)很難擺脫此類失效。熱對(duì)流式加速度計(jì)完全不同的結(jié)構(gòu)和原理使其不可能發(fā)生以上失效。 4）極間機(jī)械彈性震蕩，彈簧（特別是阻尼系數(shù)小的彈簧）在受到外界力的作用后會(huì)發(fā)生往復(fù)震蕩。容感式加速度計(jì)特殊的微型硅彈簧懸掛結(jié)構(gòu)同樣不第三章 三軸加速度傳感器7可避免地會(huì)產(chǎn)生此類震蕩，從而使得輸出信號(hào)在一定的時(shí)間內(nèi)無(wú)法使用。如果外界沖擊力的頻率與其共振頻率（2kHz 至 5kHz）相同，后果則更為嚴(yán)重。低于 35Hz 的頻響范圍使熱對(duì)流式加速度計(jì)自然規(guī)避了此類現(xiàn)象的發(fā)生。 消費(fèi)電子產(chǎn)品的特點(diǎn) 低價(jià)格，容感式加速度計(jì)復(fù)雜的微機(jī)械加工工藝使得它的成品率無(wú)法提高，制造成本居高不下。雖然各大制造商不斷想方設(shè)法降低制造成本，但要達(dá)到消費(fèi)類電子產(chǎn)品所能接受的低價(jià)格（低于 1 美元）顯然十分困難。 熱對(duì)流式加速度計(jì)基于標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 制造工藝，使其圓片加工工序的成品率大大提高，全線成品率達(dá)到 90%以上。再加上制造工廠設(shè)在中國(guó)大陸，使得產(chǎn)品的總體制造成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于容感式加速度計(jì)，已經(jīng)可以滿足消費(fèi)類應(yīng)用中的弱點(diǎn) 當(dāng)然，熱對(duì)流式加速度計(jì)也有它的弱點(diǎn)，但這些弱點(diǎn)是否會(huì)影響其在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的應(yīng)用？對(duì)環(huán)境溫度變化敏感熱對(duì)流式加速度計(jì)的工作原理決定了它必定對(duì)環(huán)境溫度變化敏感。主要表現(xiàn)為零點(diǎn)溫漂和靈敏度溫度漂移。 1）零點(diǎn)溫漂，以美新公司的產(chǎn)品為例，溫度每變化一度，其輸出信號(hào)的零點(diǎn)會(huì)有 2 mg 的漂移量。如果最終產(chǎn)品的工作溫度范圍是：10℃至 40℃，則最大將產(chǎn)生（25+10）2=70 mg 的漂移，相當(dāng)于︱70 17︱=4 度角度的變化，這是在10℃的惡劣情況下的漂移量。絕大多數(shù)消費(fèi)類領(lǐng)域的應(yīng)用（如手持設(shè)備） ，對(duì)測(cè)量精度的要求不是很高，正負(fù) 2 度的角度偏差是可以接受的。而且，用戶可以通過(guò)簡(jiǎn)單的開(kāi)機(jī)復(fù)位程序（及時(shí)刷新存儲(chǔ)器中加速度計(jì)的零值）消除這種零點(diǎn)漂移的影響。而對(duì)于一些檢測(cè)震動(dòng)信號(hào)（交流信號(hào)檢測(cè)）的應(yīng)用，直流零點(diǎn)的漂移可以不予考慮。 對(duì)于一些測(cè)量精度較高的應(yīng)用，用戶可以選擇其低溫漂的器件（℃） 。2）靈敏度溫度漂移對(duì)于熱對(duì)流式加速度計(jì)來(lái)說(shuō)，靈敏度溫度漂移是它的一個(gè)主要弱點(diǎn)，但這一溫漂是有規(guī)律可循的。以美新公司的產(chǎn)品為例，其未經(jīng)補(bǔ)償?shù)撵`敏度溫度漂移嚴(yán)格遵循以下公式，從而使外部溫度補(bǔ)償?shù)靡詫?shí)現(xiàn)。江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文8 靜電懸浮式三軸加速度傳感器 引言 靜電懸浮式加速度傳感器是通過(guò)測(cè)量電容的變化來(lái)檢測(cè)加速度的。其突出優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，缺點(diǎn)是容易發(fā)生高壓擊穿，因而不能承受較大的加速度輸入。但它對(duì)于獨(dú)特的空間微重力環(huán)境測(cè)量具有較大優(yōu)勢(shì)，因此在國(guó)際宇航界有關(guān)實(shí)驗(yàn)室得到相當(dāng)發(fā)展。目前，利用此類加速度傳感器，國(guó)外已經(jīng)研制成功的高精度靜電懸浮式加速度計(jì)系統(tǒng)有:美國(guó)研制的 MACEK 及 MESA 加速度計(jì)系統(tǒng)、歐空局（ESA）研制的 ASTRE 加速度計(jì)系統(tǒng)、法國(guó) ONERA 研制的 STAR 加速度計(jì)系統(tǒng)及 GRADIO 加速度計(jì)系統(tǒng)等。這些加速度計(jì)系統(tǒng)已在研究大氣阻力、太陽(yáng)輻射壓力、地球漫反射、電子推進(jìn)器推力測(cè)量、高空地球重力場(chǎng)精密測(cè)量、空間重力梯度測(cè)量等軍用和民用領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。此類加速度計(jì)系統(tǒng)的測(cè)量精度已達(dá) 20ngn，理論設(shè)計(jì)分辨力高達(dá) 410 5 ngn。對(duì)于此類高靈敏、高精度加速度傳感器的研制我國(guó)尚處于起步階段。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 是靜電懸浮式三軸測(cè)量加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。電容極板質(zhì)量檢測(cè)圖 32 靜電懸浮加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖它主要由一個(gè)中心檢測(cè)質(zhì)量和六個(gè)電容極板組成，外加固定極板用的外殼（圖中未示出） 。檢測(cè)質(zhì)量采用立方體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由金屬材料制成。電容極板由絕緣材料并在其內(nèi)表面濺射金屬薄膜加工而成（如圖 33 所示） 。第三章 三軸加速度傳感器9圖 33 電容位移檢測(cè)原理圖　靜電懸浮原理靜電懸浮式三軸測(cè)量加速度傳感器在進(jìn)行地面檢測(cè)時(shí)，由于在垂直于地面方向（設(shè)為 x 方向）中心質(zhì)量塊受到地球吸引力的作用，因此必須給質(zhì)量塊施加一反方向的靜電力，以使其達(dá)到力平衡，并通過(guò)反饋電壓的施力作用使中心質(zhì)量塊在 x、y、z 三方向均處于零位（平衡位置）附近，實(shí)現(xiàn)懸浮。而當(dāng)傳感器工作于空間飛行器上時(shí)，慣性力平衡了地球引力，因此僅需施力反饋回路的作用便可實(shí)現(xiàn)中心質(zhì)量塊的懸浮。 電容位移檢測(cè)原理 不失一般性，此處僅討論一個(gè)方向（x 軸）位移的電容檢測(cè)原理，其它兩軸的檢測(cè)原理相同。當(dāng)無(wú)加速度輸入時(shí)，控制回路使檢測(cè)質(zhì)量處于初始平衡位置（零位） ，檢測(cè)質(zhì)量表面距相對(duì)兩極板的距離相等。此時(shí)電容 C1 與 C2 相等。當(dāng)存在加速度輸入時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量沿與加速度相反的方向發(fā)生微小位移，C 1 和 C2分別改變，兩者電容之差 ΔC 可化簡(jiǎn)為 （31） dS????212? 式中　ε 為真空介電常數(shù)；S 為電容極板面積；d 為電容極板與檢測(cè)質(zhì)量之間的距離；Δd 為檢測(cè)質(zhì)量微小位移。 加速度測(cè)量原理 當(dāng)檢測(cè)質(zhì)量因加速度的輸入而發(fā)生位移時(shí)，引起電容變化，進(jìn)而由控制電路產(chǎn)生反饋施力電壓 Uf，兩電極板電壓由原來(lái)的定值偏置電壓 Us 分別變?yōu)閁s+Uf 和 UsUf ，從而對(duì)檢測(cè)質(zhì)量產(chǎn)生靜電江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文10 （32）])()[(2122dUdSFfsfs?????式中　Us 為偏置電壓；U f=AΔC 為反饋施力電壓；A 為檢測(cè)電路增益。當(dāng)檢測(cè)電路增益足夠高時(shí)，上式化簡(jiǎn)為 （33）fsUdSF2?? 由力平衡條件 ma=F（ m 為檢測(cè)質(zhì)量塊的質(zhì)量；a 為外界輸入的加速度)，可得到加速度與檢測(cè)到的反饋電壓的關(guān)系 （34）fsdS2?? 當(dāng)檢測(cè)質(zhì)量（立方體)體積為 l3，材料密度為 ρ 時(shí)，則上式變?yōu)? （35）fsUla23?? 通過(guò)測(cè)量反饋電壓便可以知道外界輸入的加速度值。 參數(shù)設(shè)計(jì) 航天器在飛行過(guò)程中受到的環(huán)境非重力力主要來(lái)自大氣阻力、太陽(yáng)光壓、地球熱輻射等因素。在低軌道飛行中主要是大氣阻力起作用，當(dāng)軌道提升時(shí)，太陽(yáng)光壓力將逐漸取代大氣阻力成為主因。產(chǎn)生的加速度水平大約在 10 μg 量級(jí)（與航天器飛行高度、航天器結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、橫截面積、表面積以及大氣密度、太陽(yáng)輻射、地球漫發(fā)射等因素有關(guān)） 。因此加速度傳感器量程設(shè)計(jì)為 30 μg，分辨力設(shè)計(jì)為 1 ng 至 10 ng。綜合考慮各項(xiàng)因素，設(shè)計(jì)偏置電壓為 5 V，控制電路增益為 1012。中心檢測(cè)質(zhì)量塊體積為 4 cm4 cm4 cm，采用鉑銠合金材料，密度為 20 g/cm3（從下面的式（38）可以得出，材料密度越大，檢測(cè)靈敏度越高），質(zhì)量為 1280 g；電容極板面積為 3 cm3 cm，電容極板與檢測(cè)質(zhì)量平衡間距為 30 μm。 設(shè)計(jì)結(jié)果與討論 據(jù)式（32）可知，當(dāng)反饋電壓等于偏置電壓時(shí)產(chǎn)生的靜電力達(dá)到最大值為 （36）2max)(1dUsSF??第三章 三軸加速度傳感器11故加速度傳感器能夠承受的最大輸入加速度為 （37）23maxadlSUFs???由式（35 ）知加速度傳感器的檢測(cè)靈敏度為 （38）sSlk?23根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算出加速度傳感器的量程為 35 μg，靈敏度為 120 mV/μg。根據(jù)靈敏度計(jì)算結(jié)果，1ng 的加速度輸入將產(chǎn)生 mV 的輸出電壓，就目前的技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，對(duì)于以上幅度的電壓信號(hào)是比較容易檢測(cè)的，因此以上設(shè)計(jì)的加速度傳感器有望達(dá)到 1 ng 的分辨力，適合航天器高精度微重力環(huán)境測(cè)量。 誤差來(lái)源及改進(jìn)措施 1）機(jī)械加工精密機(jī)械加工是此類傳感器制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，材料的尺寸、間距、平坦度等都將影響到傳感器的量程、靈敏度、檢測(cè)精度等。要求電容極板的平坦度小于 1 μm，間距誤差控制在 2 μm 以內(nèi)。另外傳感器殼體應(yīng)有足夠的剛度，避免在裝配調(diào)試中殼體變形而影響到間隙尺寸。 2）溫度變化由于電容極板間距只有幾十微米，因此材料的熱脹冷縮性將嚴(yán)重影響測(cè)量的精度，必須選用熱膨脹系數(shù)較低的材料，如可以選用鉑銠合金（熱膨脹系數(shù)為 106/℃）作為檢測(cè)質(zhì)量的材料，陶瓷、石英等作為電容極板材料。另外殼體等外形尺寸也必須有很好的熱穩(wěn)定性，并同時(shí)兼顧各種材料之間的相互匹配。 3）寄生電容電容式傳感器的敏感電容除了極板之間的電容外，電容極板還可能與周圍其它導(dǎo)體之間產(chǎn)生電容聯(lián)系，這種寄生電容使傳感器的位移敏感電容改變，而寄生電容又極不穩(wěn)定，從而對(duì)位移檢測(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。采取屏蔽措施可以減少這種寄生電容?？蓪鞲衅鞣旁谝唤饘贇んw內(nèi)，并將殼體可靠接地。 4）非線性江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文12 式（31）中所表達(dá)的 ΔC 與 Δd 的完全線性關(guān)系成立的必要條件是Δdd，因此必須采用實(shí)時(shí)快速反饋回路，及時(shí)產(chǎn)生反饋施力電壓，使檢測(cè)質(zhì)量很快恢復(fù)到平衡位置，確保 Δdd 成立。另外式（33 ）中 F 與 Uf 的線性關(guān)系成立的必要條件是 SUdA??即 A21010，所以電路增益應(yīng)足夠高，可取為 1012 左右。 靜電懸浮式加速度傳感器以其高靈敏、高精度的優(yōu)點(diǎn)在各類加速度傳感器中占有一席之地。盡管硅基微加速度傳感器的研制在國(guó)內(nèi)外得到相當(dāng)發(fā)展，但限于目前的硅微機(jī)械加工水平，硅基微加速度傳感器的檢測(cè)精度上難以達(dá)到幾十 ngn 的量級(jí)。 壓電式加速度傳感器 壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu) 壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計(jì)。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。 由 于 壓 電 式 傳 感 器 的 輸 出 電 信 號(hào) 是 微 弱 的 電 荷 ， 而 且 傳 感 器 本 身 有 很 大 內(nèi) 阻 ，故 輸 出 能 量 甚 微 ， 這 給 后 接 電 路 帶 來(lái) 一 定 困 難 。 為 此 ， 通 常 把 傳 感 器 信 號(hào) 先 輸 到高 輸 入 阻 抗 的 前 置 放 大 器 。 經(jīng) 過(guò) 阻 抗 變 換 以 后 ， 方 可 用 于 一 般 的 放 大 、 檢 測(cè) 電 路將 信 號(hào) 輸 給 指 示 儀 表 或 記 錄 器 。 目 前 ， 制 造 廠 家 已 有 把 壓 電 式 加 速 度 傳 感 器 與前 置 放 大 器 集 成 在 一 起 的 產(chǎn) 品 ， 不 僅 方 便 了 使 用 ， 而 且 也 大 大 降 低 了 成 本 。（a）中心安裝壓縮型 （b）環(huán)形剪切型 （c ）三角剪切型 圖 34 壓電式加速度計(jì)第三章 三軸加速度傳感器13 常用的壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式如圖 34 所示。S 是彈簧，M 是質(zhì)塊，B 是基座， P 是壓電元件， R 是夾持環(huán)。圖 a 是中央安 裝壓縮型，壓電元件—質(zhì)量塊—彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。然而基座 B 與測(cè)試對(duì) 象連接時(shí)，如果基座 B 有變形則將直接影響拾振器輸出。此外，測(cè)試對(duì)象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預(yù)緊力發(fā)生變化，易引起溫度漂移。圖 c 為三角剪切形，壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計(jì)感受軸向振動(dòng)時(shí)，壓電元件承受切應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)對(duì)底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。圖b 為環(huán)形剪切型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計(jì)，環(huán)形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的