【文章內(nèi)容簡介】 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傳輸路徑：一條是用于測量 x 軸上所感應(yīng)的加速度，另一條則用于測量 y 軸上所感應(yīng)的加速度（見圖 31） 。江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文6 圖 31 熱對流加速計的原理示意圖 優(yōu)點 傳統(tǒng)的容感式加速度計是以兩個相對排列的叉狀陣列作為電容的兩極，外界加速度使可移動極（重力塊）與固定極發(fā)生相對移動，從而使兩極間的電容量發(fā)生變化，再通過一定的電路（如可變電容振蕩器）將此變化量轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的輸出信號。從容感式加速度計的基本工作原理可以清楚地看出，熱對流式加速度計在以下幾個與可靠性相關(guān)的方面具有絕對的優(yōu)勢： 1）抗沖擊能力，熱對流式加速度計是以虛擬的懸浮于空中的熱氣團作為重力塊。在微機械結(jié)構(gòu)上沒有可活動的部分，其獨特的橋式結(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，容感式加速度計兩極的相對距離非常近，為了保證可移動極（重力塊）來回移動， 勢必要在其底部和頂部留下一定的空隙，使其成懸空狀。因此在實際應(yīng)用中由于震動而出現(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，凈化級別越高，制造成本越高。容感式加速度計特殊的微機械結(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，從而使輸出信號的零點出現(xiàn)巨大偏移，器件失效。一些原本落在其它部位的微小顆粒，在實際使用過程中會發(fā)生移動，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很難擺脫此類失效。熱對流式加速度計完全不同的結(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發(fā)生往復(fù)震蕩。容感式加速度計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可避免地會產(chǎn)生此類震蕩，從而使得輸出信號在一定的時間內(nèi)無法使用。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 的頻響范圍使熱對流式加速度計自然規(guī)避了此類現(xiàn)象的發(fā)生。 消費電子產(chǎn)品的特點 低價格，容感式加速度計復(fù)雜的微機械加工工藝使得它的成品率無法提高，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)到消費類電子產(chǎn)品所能接受的低價格（低于 1 美元）顯然十分困難。 熱對流式加速度計基于標(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，已經(jīng)可以滿足消費類應(yīng)用中的弱點 當(dāng)然，熱對流式加速度計也有它的弱點，但這些弱點是否會影響其在消費類電子產(chǎn)品中的應(yīng)用？對環(huán)境溫度變化敏感熱對流式加速度計的工作原理決定了它必定對環(huán)境溫度變化敏感。主要表現(xiàn)為零點溫漂和靈敏度溫度漂移。 1）零點溫漂，以美新公司的產(chǎn)品為例，溫度每變化一度，其輸出信號的零點會有 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)消費類領(lǐng)域的應(yīng)用（如手持設(shè)備） ，對測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，用戶可以通過簡單的開機復(fù)位程序（及時刷新存儲器中加速度計的零值）消除這種零點漂移的影響。而對于一些檢測震動信號（交流信號檢測）的應(yīng)用，直流零點的漂移可以不予考慮。 對于一些測量精度較高的應(yīng)用，用戶可以選擇其低溫漂的器件（℃） 。2）靈敏度溫度漂移對于熱對流式加速度計來說，靈敏度溫度漂移是它的一個主要弱點，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，從而使外部溫度補償?shù)靡詫崿F(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測量電容的變化來檢測加速度的。其突出優(yōu)點是測量精度高，缺點是容易發(fā)生高壓擊穿，因而不能承受較大的加速度輸入。但它對于獨特的空間微重力環(huán)境測量具有較大優(yōu)勢，因此在國際宇航界有關(guān)實驗室得到相當(dāng)發(fā)展。目前，利用此類加速度傳感器，國外已經(jīng)研制成功的高精度靜電懸浮式加速度計系統(tǒng)有:美國研制的 MACEK 及 MESA 加速度計系統(tǒng)、歐空局（ESA）研制的 ASTRE 加速度計系統(tǒng)、法國 ONERA 研制的 STAR 加速度計系統(tǒng)及 GRADIO 加速度計系統(tǒng)等。這些加速度計系統(tǒng)已在研究大氣阻力、太陽輻射壓力、地球漫反射、電子推進器推力測量、高空地球重力場精密測量、空間重力梯度測量等軍用和民用領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。此類加速度計系統(tǒng)的測量精度已達(dá) 20ngn，理論設(shè)計分辨力高達(dá) 410 5 ngn。對于此類高靈敏、高精度加速度傳感器的研制我國尚處于起步階段。 結(jié)構(gòu)設(shè)計圖 是靜電懸浮式三軸測量加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。電容極板質(zhì)量檢測圖 32 靜電懸浮加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖它主要由一個中心檢測質(zhì)量和六個電容極板組成，外加固定極板用的外殼（圖中未示出） 。檢測質(zhì)量采用立方體結(jié)構(gòu)設(shè)計，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 電容位移檢測原理圖　靜電懸浮原理靜電懸浮式三軸測量加速度傳感器在進行地面檢測時，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，實現(xiàn)懸浮。而當(dāng)傳感器工作于空間飛行器上時，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現(xiàn)中心質(zhì)量塊的懸浮。 電容位移檢測原理 不失一般性，此處僅討論一個方向（x 軸）位移的電容檢測原理，其它兩軸的檢測原理相同。當(dāng)無加速度輸入時，控制回路使檢測質(zhì)量處于初始平衡位置（零位） ，檢測質(zhì)量表面距相對兩極板的距離相等。此時電容 C1 與 C2 相等。當(dāng)存在加速度輸入時，檢測質(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 為電容極板與檢測質(zhì)量之間的距離；Δd 為檢測質(zhì)量微小位移。 加速度測量原理 當(dāng)檢測質(zhì)量因加速度的輸入而發(fā)生位移時，引起電容變化，進而由控制電路產(chǎn)生反饋施力電壓 Uf，兩電極板電壓由原來的定值偏置電壓 Us 分別變?yōu)閁s+Uf 和 UsUf ，從而對檢測質(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 為檢測電路增益。當(dāng)檢測電路增益足夠高時，上式化簡為 （33）fsUdSF2?? 由力平衡條件 ma=F（ m 為檢測質(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到的反饋電壓的關(guān)系 （34）fsdS2?? 當(dāng)檢測質(zhì)量（立方體)體積為 l3，材料密度為 ρ 時，則上式變?yōu)? （35）fsUla23?? 通過測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 航天器在飛行過程中受到的環(huán)境非重力力主要來自大氣阻力、太陽光壓、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，太陽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（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)計為 30 μg，分辨力設(shè)計為 1 ng 至 10 ng。綜合考慮各項因素，設(shè)計偏置電壓為 5 V，控制電路增益為 1012。中心檢測質(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，電容極板與檢測質(zhì)量平衡間距為 30 μm。 設(shè)計結(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靈敏度為 （38）sSlk?23根據(jù)以上設(shè)計參數(shù)計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)水平來說，對于以上幅度的電壓信號是比較容易檢測的，因此以上設(shè)計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)境測量。 誤差來源及改進措施 1）機械加工精密機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，從而對位移檢測產(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，因此必須采用實時快速反饋回路，及時產(chǎn)生反饋施力電壓，使檢測質(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內(nèi)外得到相當(dāng)發(fā)展，但限于目前的硅微機械加工水平，硅基微加速度傳感器的檢測精度上難以達(dá)到幾十 ngn 的量級。 壓電式加速度傳感器 壓電式加速度計的結(jié)構(gòu) 壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。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)，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。 由 于 壓 電 式 傳 感 器 的 輸 出 電 信 號 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 一 定 困 難 。 為 此 ， 通 常 把 傳 感 器 信 號 先 輸 到高 輸 入 阻 抗 的 前 置 放 大 器 。 經(jīng) 過 阻 抗 變 換 以 后 ， 方 可 用 于 一 般 的 放 大 、 檢 測 電 路將 信 號 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 壓電式加速度計第三章 三軸加速度傳感器13 常用的壓電式加速度計的結(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 與測試對 象連接時，如果基座 B 有變形則將直接影響拾振器輸出。此外，測試對象和環(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。加速度計感受軸向振動時，壓電元件承受切應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)對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)簡單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計，環(huán)形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的