淺析微加速度傳感器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

陳鑫

摘 要 介紹了為加速度傳感器的研究現(xiàn)狀、基本原理及其分類和發(fā)展趨勢。重點論述了微加速度傳感器的特點，并對微加速度傳感器領(lǐng)域內(nèi)一些新的進展進行了討論，指出了微加速度傳感器的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞 傳感器 速度 電力系統(tǒng)

中圖分類號：TH824.4 文獻標識碼：A

20世紀末航空、航海和航天領(lǐng)域?qū)T性測量元件的需求，各種新型加速度計應(yīng)運而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。加速度計面世后一直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，與海陸空天運載體的自動駕駛及高技術(shù)武器的高精度制導(dǎo)聯(lián)系在一起受到重視，直到微機械加速度計的問世才發(fā)生了改變。隨著微機電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，微加速度計制作技術(shù)越來越成熟，國內(nèi)外都將微加速度計開發(fā)作為微機電系統(tǒng)產(chǎn)品化的優(yōu)先項目。當前國內(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？0-5g水平上，而且尺寸偏大，重量偏重，影響我國慣導(dǎo)技術(shù)的先進性。近年來國內(nèi)雖然有多個單位MEMS微加速度計進行了研究，但在精度上仍未取得突破，大體上只能達到 10-1g的水平。

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

加速度傳感器是以集成電路工藝和微機械加工工藝為基礎(chǔ)，在單晶硅片上制造出來的微機電系統(tǒng)，包括微機械加速度計、微機械陀螺儀和微慣性測量組合。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，其功能是測量運動物體（如車輛、飛機、導(dǎo)彈、 艦艇等）的質(zhì)心運動和姿態(tài)運動，進而可以對運動物體實現(xiàn)控制和導(dǎo)航。微加速度傳感器與非MEMS為加速度傳感器相比，其體積和價格可減少幾個數(shù)量級，對國防具有重大戰(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)正在成為當前慣性技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點。

1.2微加速度傳感器的特點

加速度傳感器是慣性器件的一個大的種類，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)點在于壽命更長、制造成本低廉且可靠性更高。此外還具有體積更小、重量更輕、耗電量更小、易集成、能大批量生產(chǎn)等特點。加速度傳感器與液浮、氣浮機械陀螺和激光、光纖等光學(xué)陀螺相比，在性能方面還有差距。據(jù)預(yù)測，MEMS陀螺的性能極限是0.01？h。目前加速度傳感器的性能已達到中等精度，其中微機械振動陀螺已被驗證的分辨率約為（1?。?0？/h，微機械加速度 計的偏置穩(wěn)定性已達2～3 g，能滿足大量戰(zhàn)術(shù)武器的使用要求。

2我國微加速度傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

我國從20世紀80年代末開始了MEMS技術(shù)的研究，包括硅微型壓力傳感器、微型電機和微型泵。10多年來研究隊伍逐步擴大，本世紀初已形成40多個單位的50多個研究小組，在MEMS傳感器方面開展了大量的研究工作，取得了長足的進步。MEMS研究方向包括：微型慣性器件和慣性測量組合；機械量微型傳感器和制動器；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)；微型機器人；硅和非硅制造工藝。國內(nèi)公開發(fā)表文獻表明，我國研制的振動輪式機械陀螺零偏穩(wěn)定性達到70？h，隨機游走噪聲達到30？分貝。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，我國在各個技術(shù)方面與國外發(fā)達國家相比還有一定的差距，主要體現(xiàn)在批量生產(chǎn)時性能的穩(wěn)定性和器件的完好率都有待于提高。

3微加速度傳感器的發(fā)展趨勢

微機電系統(tǒng)技術(shù)的進步和工藝水平的提高，也給微機械加速度計的發(fā)展帶來了新的機遇，通過了解國內(nèi)外微機械加速度計的研究動態(tài)，總結(jié)出微機械加速度計以下幾點發(fā)展趨勢：

（1）高分辨率和大量程的微硅加速度計成為研究的重點。由于慣性質(zhì)量塊比較小，所以用來測量加速度和角速度的慣性力也相應(yīng)比較小，系統(tǒng)的靈敏度相對較低，這樣開發(fā)出高靈敏度的加速度計顯得尤為重要。

（2）溫漂小、遲滯效應(yīng)小成為新的性能目標。選擇合適的材料，采用合理的結(jié)構(gòu)，以及應(yīng)用新的低成本溫度補償環(huán)節(jié)，能夠大幅度提高微機械加速度計的精度。

（3）選擇合理的工藝手段和材料，降低制作成本，為微機械加速度計批量化生產(chǎn)提供工藝路線。同時，標準化微機電系統(tǒng)工藝，確保加工結(jié)果均勻、穩(wěn)定、提高成品率，為微機械加速度計投片生產(chǎn)提供一套利于操作、重復(fù)性好的工藝方法，也是微硅加速度計發(fā)展的重要方向。

（4）微機理研究。微機械加速度計屬于微米量級，隨著微結(jié)構(gòu)尺寸的不斷縮小，構(gòu)件可承受的外載荷和體積力變得次要，而構(gòu)件間的摩擦力和其他表面力成為影響性能的主要因素，微機械的力學(xué)系統(tǒng)特征和材料特征成為微機理研究的重要方面。

4總結(jié)

在工業(yè)領(lǐng)域自動化技術(shù)發(fā)展迅速的今天，加速度的精密計量檢測是一個至關(guān)重要的問 題，因此對各種加速度傳感器進行研究與開發(fā)是十分必要的。微加速度傳感器具有體積小、重量輕、性能穩(wěn)定等特點，是慣性傳感器件的杰出代表。微加速度傳感器經(jīng)過二十多年的發(fā)展，在工作原理及測試技術(shù)等方面已趨于完善。目前我國對微加速度傳感器的理論研究及工程應(yīng)用方面與國際先進水平相比還有一定差距，今后的研究應(yīng)該朝著高精度、高可靠性、高靈敏度、低溫度效應(yīng)、簡化工藝、多維度方向發(fā)展。

參考文獻

[1] 于雪蓮.加速度傳感器校準的一種新方法[J].計量與測試技術(shù)，2017（02）.