微機械加速度計

1、微機械加速度計程波 蒙雁琦 張瑞平 陳逸云2013/12/8加速度計：一種以牛頓慣性定律為理論基礎(chǔ)的慣性器件，用來測量運載體的加速度值。 微機械加速度計是采用微加工技術(shù)制造出來的一種微型加速度計，是慣性測量和導(dǎo)航系統(tǒng)的主要慣性元件之一。V2在第二次世界大戰(zhàn)末期，德國科學(xué)家裴納蒙德采用原始型慣性基準(zhǔn)，在V2型火箭上安裝了用于控制發(fā)動機熄火裝置的積分線加速度計，成功地發(fā)射了V-2型火箭，這是世界上第一個實際使用的慣導(dǎo)系統(tǒng)。民兵大力神擺式積分陀螺加速度計超軍旗艦載機（法）F-16（美）AGM-69撓性加速度計自加速度及問世以來的半個多世紀(jì)，其應(yīng)用主要局限于軍事領(lǐng)域。直到近年來，在微米/納米技術(shù)前沿技

2、術(shù)的推動下，以集成電路工藝與微機械加工工藝為基礎(chǔ)的微機械加速度計的問世，使得加速度計成為微型慣性測量組合的核心元件之一，并迅速地應(yīng)用到民用領(lǐng)域。分類按質(zhì)量的運動方式角震動方式加速度計線震動方式加速度計按檢測質(zhì)量的支承方式扭擺式加速度計懸臂梁式加速度計彈簧支撐式加速度計按信號檢測的方式電容式加速度計電阻式加速度計電流式加速度計熱對流式加速度計隧道電流式加速度計按控制方式開環(huán)式加速度計閉環(huán)式加速度計按加工工藝微機械表面工藝加速度計微機械體工藝加速度計LIGA工藝微機械加速度計LIGA工藝是一種基于X射線光刻技術(shù)的MEMS加工技術(shù)，主要包括X光深度同步輻射光刻，電鑄制模和注模復(fù)制三個工藝步驟。按結(jié)構(gòu)

3、形式梳齒式微機械加速度計蹺蹺板式微機械加速度計三明治式微機械加速度計按材料硅微機械加速度計石英微機械加速度計金屬微機械加速度計按敏感軸的數(shù)量單軸微機械加速度計雙軸微機械加速度計三軸微機械加速度計工作原理工作原理是根據(jù)牛頓第二定律，當(dāng)有加速度輸入時，質(zhì)量塊由于慣性力作用而發(fā)生位移，位移變化量與輸入加速度的大小有確定的對應(yīng)關(guān)系，可以描述一個單自由度二階彈簧阻尼振動系統(tǒng)。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型即為：式中，x為位移，k為等效彈性系數(shù)，c為等效阻尼系數(shù)，m等效慣性質(zhì)量，輸入加速度。根據(jù)式（1）可以求出位移量和輸入加速度的關(guān)系公式：2244112212ccmccmmmamxqeqek 其中，q1和q2是積分常數(shù)，

4、決定于系統(tǒng)的邊界條件。工藝過程1 微機械加速度計表頭微機械表頭的加工工藝隸屬于半導(dǎo)體集成電路工藝范疇，每批加速度計表頭生產(chǎn)出來后，需要經(jīng)過篩選和功能測試。測試的主要項目有預(yù)載電壓、機械零位和閉環(huán)特性，測試結(jié)果做為后續(xù)電路調(diào)試的依據(jù)。2 電路板的裝配和調(diào)試電路板元件為手工裝配，所選用的元件外形都是手工能夠貼裝的最小尺寸，焊接采用熱風(fēng)回流焊接機完成。為了進一步減小體積，采用管芯裝配工藝和專用集成電路設(shè)計(ASIC，application specific integrated circuits)是比較捷徑的方案。 電路調(diào)試主要依靠基礎(chǔ)測量儀器來完成，主要有數(shù)字電壓表、函數(shù)發(fā)生器、頻譜分析儀和專用計

5、算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理軟件。需要調(diào)整的主要參數(shù)有正負電源的對稱性，預(yù)載電壓與表頭測試的預(yù)載電壓相匹配，用時域分析法測試電路的頻率特性，使超調(diào)量、阻尼比和響應(yīng)時間符合系統(tǒng)要求等。合格的電路板與表頭進行二次回流焊接后，進行閉環(huán)性能測試和模型參數(shù)測試，最后采用平面封焊機完成密封，形成成品微機械加速度計。3 動態(tài)、靜態(tài)、以及環(huán)境適應(yīng)性試驗應(yīng)用微機械加速度計以其尺寸小、成本低的誘人特點不僅在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域得到的應(yīng)用,而且在商業(yè)領(lǐng)域占據(jù)了廣泛的市場。低成本加速度計的商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域主要有:民用航空、車輛控制、高速鐵路、機器人、工業(yè)自動化、探礦、玩具等等。1 汽車安全裝置自動剎車，防抱死安全氣囊自動導(dǎo)航系統(tǒng)

6、車速控制系統(tǒng)2 探礦測震隨著地震勘探高分辨率、高保真等要求的提出,國外一直在研究新的地震信號檢測技術(shù)。目前已見報道的有美國Input/Outpt System公司己成功開發(fā)的微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的新型地震檢波器。這種檢波器采用了MEMS(微機電系統(tǒng))技術(shù)的加速度傳感器,使地震檢波器的性能指標(biāo)有了很大的提高。3 機器人狀態(tài)控制對機器人控制系統(tǒng)來說,加速度是一個重要的狀態(tài)變量。對于各自由度的位置控制,可利用加速度計獲得機器人的加速度,對加速度進行一次積分可以獲得機器人的速度,對加速度進行二次積分可獲得機器人的位置,從而根據(jù)這些信息形成反饋校正。在機器人系統(tǒng)控制中,加速度計輸出不僅可以直接作為加速度狀態(tài)變量,用于現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)反饋進行系統(tǒng)綜合,也可以作為經(jīng)典控制理論的反饋校正，此時相當(dāng)于串聯(lián)校正中的PID校正(即超前滯后校正)。4 其他應(yīng)用心臟起搏器測斜儀運動員輔助訓(xùn)練設(shè)備手機數(shù)碼相機發(fā)展趨勢(l)高分辨率和大量程的微硅加速度計成為研究的重點(2)多軸加速度計的開發(fā)成為新的方向(3)數(shù)字化輸出和具備通信能力的微弱信號集成電路(4)溫漂小、遲滯效應(yīng)小成為新的性能目標(biāo)(5)將微機械加速度計表頭和信號處理電路集成在單片基體上(6)選擇合理的工藝手段和材料(