MEMS加速度傳感器計量檢測技術的研究進展

馬宇麗

摘 要：MEMS加速度傳感器計量檢測技術已經(jīng)成為計量檢測系統(tǒng)中的主流技術，在社會各個領域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應用。本文梳理了MEMS加速度傳感器計量檢測技術的概念及其發(fā)展脈絡，并對近年來最新的研究進展進行綜述。

關鍵詞：MEMS加速度傳感器；計量檢測技術；研究進展

目前MEMS加速度傳感器計量檢測技術已經(jīng)成為了檢查微位移的重要檢測手段和技術，特別是在航空航天領域和汽車領域已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。筆者在梳理已有學者的研究基礎上，就未來的MEMS加速度傳感器計量檢測技術發(fā)展脈絡進行探討。

一、MEMS加速度傳感器的研究概況

MEMS加速度傳感器的研究與開發(fā)始于上世紀80年代初，采用MEMS和IC（集成電路）加工工藝生產(chǎn)。它吸收了多種學科的研究成果，具有集成電路系統(tǒng)的許多優(yōu)點。近些年來，國內(nèi)外很多科研機構與公司對MEMS加速度傳感器進行了大量的研究工作，取得了許多研究進展。意法半導體、美國AD等世界著名公司，以及美國斯坦福大學、日本豐橋大學等科研機構都展開了MEMS加速度傳感器的深入研究。日前，美國AD公司報道了一種新型三軸MEMS加速度傳感器，該傳感器采用單一質(zhì)量塊，價格低廉，平衡了消費者對性能和價格的需求。意法半導體推出一款全新數(shù)字信號輸出三軸加速傳感器LIS331HH，其最大測量值達到24g，相當于F1賽車在強勁剎車時產(chǎn)生的加速度的5倍左右，可在消費電子和工業(yè)應用中實現(xiàn)高精確度的測量。日立金屬公司開發(fā)出目前業(yè)界最小的三軸MEMS加速度傳感器，外形尺寸僅為2.5mm×2.5mm×1mm，質(zhì)量為14mg。我國相關研究起步較早，自上世紀90年代以來便確定MEMS加速度傳感器為國家重點研究項目。清華大學、北京大學、哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學、東南大學、信息產(chǎn)業(yè)部13所、航天771所和信息產(chǎn)業(yè)部49所等單位都開展了MEMS加速度傳感器的研究工作。目前在國內(nèi)工程化的MEMS加速度傳感器精度還未達到mg量級。

二、微位移測量的應用及研究進展

對于大量的管道運輸工程，由于地形的復雜性和傳輸?shù)倪h距離性，管道微小的位移將產(chǎn)生重大的安全問題，因此勒振宇等人提出了一種基于MEMS加速度計和單片機、無線通信結(jié)合的管道小位移檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用的加速度傳感器型號為美國AD公司生產(chǎn)的ADXL345，其性能穩(wěn)定，檢測誤差小，經(jīng)過對位移的采集、積分處理、誤差分析等得出位移值。由于管道運輸?shù)牡匦魏铜h(huán)境相對復雜，如果采用電纜供電，不僅浪費大量的人力物力，而且在實際實施時也將會有很大的困難，因此系統(tǒng)采用太陽能供電、數(shù)據(jù)采用無線傳輸。

在實驗室的條件下對系統(tǒng)進行了模擬，其中將傳感器放置在管道模型上，用手移動管道模擬其傾斜的方式測出單個傳感器相對于重力場的實驗數(shù)據(jù)，得出了整個系統(tǒng)能夠滿足基本測位移要求的結(jié)論，并能夠讀取管道位移量。該系統(tǒng)太陽能供電和無線通信相結(jié)合，系統(tǒng)構成簡單，同時降低了應用成本，在工程應用中有一定的推廣價值。但是就模擬實驗條件來看，存在的問題是實驗室條件和實際的工作環(huán)境有一定的差異，還有很多意想不到的干擾因素，因此對于實驗得出的數(shù)據(jù)，應該在更加近似的環(huán)境下模擬得出。對于管道運輸中，加速度傳感器還有另一個重要應用，可用于供水傳輸管道的泄露點檢測。當泄露造成的振動在水中傳播時，會引起管壁的徑向振動。在管道上安裝MEMS加速度傳感器，通過對管壁振動的檢測并根據(jù)2個傳感器檢測的時間間隔，估計出泄露的位置，對泄露管道的及時定位與處理具有良好的應用價值。此外，Tottori大學通過實驗模擬研究了地震中建筑的位置傾斜過程，通過對水平面峰值加速度的時域積分來估算位置傾斜最大值，提出了在監(jiān)控地震過程中建筑的傾斜程度及估算其倒塌可能性的方法，對于建筑的健康檢測及地震中建筑倒塌的預防有著重要的意義。

MEMS加速度傳感器在微位移測量方面得到了越來越廣泛的應用，目前通過眾多研究者的努力，研究取得了一定的進展。在手勢姿態(tài)識別方面，通過MXR9500加速度傳感器對加速度的動態(tài)和靜態(tài)數(shù)值進行檢測，準確地分析出手指在空間運動中的姿態(tài)和運動狀態(tài)，而且該基于MEMS加速度傳感器的手勢語識別系統(tǒng)識別準確率較高、運行穩(wěn)定。系統(tǒng)采用了MXR9500三軸加速度傳感器對加速度值進行采集，對其運動的檢測包括方向、軌跡、行程以及手指間的角度關系，對手勢語進行了全面檢測。并提出將系統(tǒng)改進為無線接收，左、右手聯(lián)合使用的一套語音翻譯系統(tǒng)，左手做韻母，右手做聲母，綜合識別出漢字的設想，為手勢語的識別提供了一種新思路。

三、微加速度傳感器的發(fā)展趨勢

近幾年來，MEMS器件正在加速向具有信號處理功能的微傳感器芯片，以及能夠完成獨立功能的“片上系統(tǒng)”（微系統(tǒng)）方向發(fā)展。據(jù)報道，美國加利福尼亞大學的克里斯？皮斯特已經(jīng)用微型鉸鏈、齒輪和發(fā)動機組裝成一個螞蟻大小的人造昆蟲，可以在地上爬來爬去。當前，傳感器的發(fā)展呈現(xiàn)微型化、集成化、陣列化、系統(tǒng)化、智能化、多功能化的趨勢，而基于MEMS技術的微加速度傳感器的研制必須根植于自身的技術、工藝特點，并能不斷滿足科學技術的發(fā)展及軍民兩用的需求。

1、加強基礎理論的研究

微加速度傳感器不是單純的幾何尺寸的微型化，它在尺度、材料、工藝與工作原理等方面與傳統(tǒng)的機電傳感器截然不同，是一種全新的設計理念。目前MEMS傳感器研究中存在的許多有關微摩擦學、微機構動力學、微流體力學和材料微觀力學特性等問題已經(jīng)成為制約MEMS技術發(fā)展的“瓶頸”。因此，加強基礎理論研究勢在必行。

2、探索新工作機理，開發(fā)新器件結(jié)構

MEMS傳感器是機械、電子高度集成，甚至與光學、磁學效應以及化學、生物學原理等交互綜合組成的器件。因此，基于先進的物理、化學或生物學的原理，通過微型化和集成化來探索新機理、新結(jié)構的微加速度傳感器將有利于充分發(fā)揮MEMS技術的科技潛力，開拓更為廣泛的市場空間。同時，將MEMS傳感器研制與納米技術結(jié)合，可能產(chǎn)生創(chuàng)新與突破。

3、多維化

目前，國內(nèi)文獻中對加速度傳感器的研究主要集中在單維，技術也比較成熟，關于多維加速度傳感器的研究文獻報道較少；對于一體化結(jié)構的二維加速度傳感器，國外的研究歷史也不長。隨著科學技術發(fā)展和軍事、商業(yè)市場的需求，單一方向的加速度測試已經(jīng)不能滿足各方面的需求，加速度傳感器正朝著多維（2維或3維）方向發(fā)展，用于檢測空間加速度，為衛(wèi)星導航、導彈制導、炮彈定向等軍工項目和汽車防震保護、自動剎車、醫(yī)療等民用項目服務。傳統(tǒng)的多維加速度傳感器是將多個一維加速度傳感器組合拼裝，結(jié)構穩(wěn)定性差，成本高，與當前器件集成化的要求不吻合。因此，迫切需要研制集成多維加速度傳感器。

四、結(jié)語

隨著集成制造工藝和微機械加工技術的不斷發(fā)展，基于MEMS技術的微加速度傳感器受到了各國科學家們的普遍關注，并在日新月異的傳感器領域內(nèi)顯示出良好的發(fā)展前景。但是，應當清楚地認識到，我國在這方面仍有許多關鍵共性問題亟待解決，機遇與挑戰(zhàn)并存。

參考文獻：

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