加速度传感器简述

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1、1加速度传感器加速度传感器的的简述简述北京航空航天大学北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院夏伟强夏伟强1.加速度传感器的意义加速度传感器的意义加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备， 广泛用于航空航天、 武器系统、 汽车、 消费电子等。通过加速度的测量，可以了解运动物体的运动状态。可应用在控制，手柄振动 和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视， 工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性 和安全保卫振动侦察上。2.加速度传感器加速度传感器的工作原理的工作原理根据牛顿第二定律：A(加速度)

2、=F(力)/M(质量)。只需测量作用力 F 就可以得到已知质量物体的加速度。利用电磁力平衡这个力，就可 以得到作用力与电流（电压）的对应关系，通过这个简单的原理来设计加速度传感器。本质 是通过作用力造成传感器内部敏感元件发生变形， 通过测量其变形量并用相关电路转化成电 压输出，得到相应的加速度信号。3.加速度传感器主要技术指标加速度传感器主要技术指标a）量程。比如测量车辆运动只需几十个 g 量程，但是测量武器系统的侵彻指标，就需 要传感器的量程达 10 万 g 甚至更大。b）灵敏度。一般来说，越灵敏越好。越灵敏的传感器对一定范围内的加速度变化更敏 感，输出电压的变化也越大，这样就比较容易测量，

3、从而获得更精确的测量值。c）带宽。主要指传感器可测量的有效频带。对于一般只要测量倾角的应用，50HZ 的带 宽应该足够了，但是对于需要进行动态性能，比如振动，你会需要一个具有上百 HZ 带宽的 传感器。4.加速度传感器加速度传感器发展现状发展现状及发展趋势及发展趋势市场上占统治地位的加速度传感器是压电式、压阻式、电容式、谐振式等。压阻式加速度传感器具有加工工艺简单， 测量方法易行， 等优点。 但是， 温度效应严重， 工作温度范围窄，并且灵敏度低，一般只有 1mg 左右，要继续提高灵敏度难度很大。压电 式加速度计信噪比高，灵敏度高，结构简单，但是信号处理电路较复杂，存在零漂现象不可 避免，并且回

4、零慢，不适宜连续测试。微电容式加速度计具有结构简单、灵敏度高、动态特 性好、抗过载能力大，易于集成，不易受温度影响，功耗低，但是，存在输出特性的非线性、 寄生电容、分布电容对灵敏度的影响，以及信号处理电路复杂等问题。近些年，谐振式微机 械加速度计越来越受到各国的重视，其数字化输出、高可靠性、高重复性等特点，不仅能大 幅度降低微弱信号的检测难度，简化外围处理电路，而且具有优良的低频特性。（1）研制高g值加速度传感器高量程加速度传感器， 主要用于军事和航空航天等领域。 随着近些年来侵彻武器和航空 航天的发展以及对爆炸冲击现象研究的深入，对高g 值加速度传感器的要求也逐渐增高。2高 g 值加速度传感

5、器的工作环境一般比较恶劣， 所以首先要有坚固的结构， 能承受强烈 的、高过载的力学冲击，而且要有较宽的测量范围，能正确地测量整个冲击过程中瞬时加速 度的变化过程，其次加速度传感器要有耐高温、抗强电磁辐射的能力。而采用微机械加工工 艺的高 g 值加速度传感器，具有体积小、量程高、频响高、精度高、可靠性高和便于批量制 造等优势，因此大多数的高 g 值加速度传感器都采用微机械加工工艺。压阻式加速度计主要的研究单位有加拿大 Alberta 微电子中心、美国 Endevco 公司、浙 江大学与中科院上海微系统所等。其中，美国 Endevco 公司生产的 7270A 系列压阻式加速 度传感器量程最高为 2

6、 105 g，安装谐振频率最高约为 1.2 MHz，是目前已知加速度传感 器中最高的，如图 4 所示。我国在研制高 g 值加速度传感器方面与世界差距比较大， 尤其在可靠性、 稳定性方面尤 为突出。 这方面的差距大大限制了我国先进武器的研制与航空航天的发展， 所以我国的传感 器研究单位， 在根据已有高 g 值传感器的结构， 对其各项参数进行合理的仿真、 优化和改进， 研制性能更好的高 g 值传感器。并且，随着新材料、新工艺的发展，采用 SiC 和多晶金刚石 材料，甚至是准单晶金刚石薄膜，研制量程和频响更高、抗电磁辐射更强的新型加速度传感 器。 虽然这些材料制作传感器的加工工艺不如硅微机械加工技术

7、成熟， 如何利用这些材料制 作传感器的微机械加工工艺，成为高 g 值加速度传感器发展的重点之一。研究新的物理效 应和敏感手段。如微隧道电流式、微谐振式等新式传感器的出现，为高 g 值加速度传感器 的制作提供一个新的发展方向。（2）微小型化多轴传感器的研究由于 mems 工艺、集成电路技术的发展以及军事、商业市场的需求逐渐增强，多轴加速 度传感器的研究逐步成为热点。2004 年，日本的 Ranjith Amarasinghe1 和 DzungVietDao 研 制了用于医疗领域的 6 自由度加速度传感器， 它可检测 3 个方向的加速度和 3 个方向的角速 度。其结构如图 5，尺寸大小为 3 mm

8、 3 mm，横向灵敏度小于 2%。主要由等离子刻蚀和 键合完成制作，利用 Wheatstone 电桥的巧妙连线来实现对各个加速度和角速度的测量。a 传感器敏感元件结构b 传感器封装形式图 4Endevco 研制的 7270A- 200k 加速度传感器3据日经微器件2006 年第 10 期报道，日立金属在 2006 年 8 月开发出了世界最小尺 寸的 3 轴加速度 MEMS 传感器。 该 MEMS 传感器的外形尺寸仅为 2.9 mm 2. 9 mm 0. 92 mm ， 体积为 7. 7 mm 3。这是一个压敏阻抗的 MEMS 传感器。采用 10 引脚、LOC (Lead on Chip ) 封

9、装形式。并在 2006 年年底批生产。3V 工作时的电流耗量为 0. 35 mA ， 采用 压敏阻抗方式。可测定加速度范围可选择2 g 和4 g。目前仍采用陶瓷封装和引线键合技 术。 到 2008 年左右开发的 1 mm 角的 MEMS 传感器将考虑采用树脂封装材料和新的键合技 术。（3）实现MEMS技术与CMOS工艺的兼容目前， 国外在研究二次集成技术的同时， 集成智能传感器在工艺上的研究热点集中在研 制与 CMOS 工艺兼容的各种传感器结构及制造工艺流程，探求在制造工艺和微机械加工技 术上有所突破。基于 MEMS 技术基础可以实现多个微传感器的集成化， 运用传统的 COMS 集成电路工 艺

10、，MEMS 可以形成微加速度传感器智能化功能所需的调理电路和控制电路，使传感器具 有了测控和传输的微执行器功能。2005 年，加拿大的 Behraad Bahreyni 和 C. Sha- fai 提出一种用 foundry 制造加速度传感 器的结构，采用双层梁，利用 CMOS 工艺生成的多晶硅作为敏感电阻载体。这样就完成了 CMOS 体加工工艺与 MEMS 的完全兼容，使得加速度传感器灵敏度达到 23.9 mv/g （量程 为 1 g）和 370 mv/g （量程为 30mg）。（4）开发谐振式加速度传感器谐振式传感器具有高稳定性、高精度、准数字化输出等许多优点，但传统的传感器频率 信号检测

11、需要较复杂的设备， 限制了谐振式传感器的应用和发展， 现在利用同一硅片上集成 的智能检测电路， 可以迅速提取频率信号， 使得谐振式微机械传感器成为国际上传感器领域 的一个研究热点。谐振式微机械加速度计是新一代高精度微机械加速度计的发展方向， 国外已有单轴样机 研发的报道，如美国 UC. Berkeley 大学、德国 Munich 微系统中心和 Benz 技术中心及韩国 汉城国立大学的研究成果， 但距离产品化还有一定的距离。 国内的北京大学、 南京理工大学、 北京航空航天大学也进行了相关的研究，尚处于实验室原理样机研究阶段。国内北京航空航天大学以静电激振、电容拾振的谐振式硅微机械加速度计为研究对

12、象， 对其设计理论、结构优化、工艺实现和样件测试进行了研究。针对目前微机械加速度计产品图 5 六自由度加速度结构4精度偏低的问题， 提出了一种结构新颖的谐振式微机械加速度计的整体实现方案， 采用了单 端强约束结构、框架式质量块、高 Q 值音叉谐振器、刚度解耦的微杠杆放大机构和差动测 量的方式，仿真结果表明，设计的结构可以实现了较高灵敏度和精度的加速度测量。为高效提高器件灵敏度，利用 MEMS 结构特性和柔性铰链的功能，设计了一种刚度解 耦的微杠杆机构，对机构进行了建模和优化，实现了较高的放大倍数和结构刚度解耦。针对谐振式微机械加速度计谐振器振动测试的特点， 设计了基于面外振动测试仪的加速 度计

13、光学测试系统， 实现了较低成本、 高精度的振动测试。 测试器件的谐振频率 fr81700Hz， 品质因数 Q 值为 98。原理样片的显微照片如下图所示：参考文献参考文献 1樊尚春.传感器技术及应用. 北京：北京航空航天大学出版社，2004 2樊尚春，刘广玉. 新型传感器技术及应用. 北京:中国电力出版社，2005 3黄俊钦， 樊尚春， 刘广玉. 微传感器最新发展. 航空计测技术，2003，23(1)：1- 8 4 Umeda A， Ueda K. Study on the dynamic force acceleration measurement. Sensors and Actuators, 1990,A21A23, 285 - 288. 5 刘广玉.传感器的现状和未来.测控技术，1999，18(3)：13夏伟强（1981），男，满族，中北大学测试计量技术及仪器硕士，研究方向为高冲击环境 加速度测试与系统校准。2007 年至今在北京航空航天大学精密仪器及机械攻读博士学位， 主要研究方向为精密仪器及传感器技术，空间生物细胞图像传感技术。图 6谐振式微机械加速度计的显微照片