摘要 本文介绍了微硅加速度传感器自六、七十年代发展至今,其代表产品的特点,对微硅加速度计三种典型代表形式进行了分析,指出其优缺点,并对目前微硅加速度计的发展趋势-检测空间加速度的三维加速度计进行了重点讨论。
关键词:加速度计 三维 电容 压阻
微硅加速度传感器是一种重要的力学量传感器,是最早受到研究的微机械惯性传感器之一。早于60年代末、70年代初,人们就开始研究一维微硅加速度传感器;到了80年代末,已经开始一维微硅加速度传感器的规模化生产;进入到90年代,随着科学技术发展和军事、商业市场的需求,人们设计出三维微硅加速度传感器,用于检测空间加速度,为军事、工业自动控制、医疗等方面服务。由于在硅片上集成加速度传感器具有体积小,重量轻,易于与测试、控制电路集成,有利于大规模批量生产等优点,随着这几十年的发展,微硅加速度传感器的研究得到越来越广泛的关注。
加速度传感器的基本原理是建立在牛顿第二定律的基础上。牛顿第二定律认为:质点动量的变化率与外力成正比。如果质点的质量为常数时,它的加速度与作用力成正比.
F=dPdt=d(mv)dt=ma 其中,m为质点的质量v为质点的速度P为质点的动量a为施加的加速度任何加速度传感器都懈括以下三个部分:1 质量:它被加速时,产生一个惯性力;2 弹性构件:它使力作某种功;3 检拾器:敏感力所作的功。硅微机械加速度传感器结构中,弹性构件通常是很薄小的硅悬臂梁或挠性轴。敏感力所作功的检拾器,通常有压阻检测和电容检测两种,微硅压阻式加速度传感器和微硅电容式加速度传感器是目前应用最多的微硅加速度传感器。最近,由于隧道效应在这方面的应用得到新的突破,又产生了一种新型的加速度传感器一隧道效应式加速度传感器微硅加速度传感器在近几十年的发展加速度传感器是一种重要的力学量传感器,是最早受到研究的微机械惯性传感器之一,它的研究与开发始于60年代末、70年代初。1977年,美国Stanford大学、加州大学Berkley分校和Draper实验室已开始在硅片上采用微机械加工艺生产微硅加速度计;进入80年代后期,考虑到加速度计的测量范围以及线性度问题,人们开始研究各种力平衡式微硅加速度计,通过反馈使加速度计保持在平衡状态下进行对加速度的测量,1989年,AD公司进行了叉指式力平衡加速度计(ADXL50)的研究,现在已开成产品,量程为±50gn,标度因数为20mV/gn;进入90年代,人们开始研究扭摆式力平衡微硅加速度计,这是由于在梁的设计方面,由于扭摆式比悬臂梁、简支梁在结构尺寸设计方面要小很多,同时,采用扭摆式结构使质量块的运动幅度大大减小,降低了阻尼的影响,1990年,CSDL研制出扭摆式力平衡微硅加速度计,共计有四种不同量程:100000gn,100gn,10gn,2gn,高动态范围的为军用炮弹所需,低动态范围的为商用;与此同时,加速度计在加工工艺上也取得了很大的进展,1993年德国kalsruhe微结构技术研究所采用LIGA技术加工了一种高精度加速度计,量程为±1gn,,标度因数为2.7V/gn。随着对微硅加速度计原理研究的深入以及工艺实现的多样性,微硅加速度传感器的种类日益繁多,各种应用于不同场合下的微硅加速度计层出不穷,对微硅加速度计的研究也越来越受到人们的重视。进入到90年代,随着科学技术发展和军事、商业市场的需求,单一方向的加速度测试已经不能满足各方面的需求,加速度传感器正朝着三维方向发展,用于检测空间加速度,为卫星导航、导弹制导、炮弹定向等军工项目和汽车防震保护、自动刹车、医疗等民用项目服务。最初,人们将三个加速度计组合拼装,用于检测空间加速度,取得一定效果,但拼装的结构肯有稳定性差、适应范围小、装配困难等缺点,因此,迫切需要研制出能够在单片硅平面上集成测量三轴向的加速度计。
压阻式微硅加速度传感器压阻式加速度传感器的设计思路来源于压力传感器,早在1977年,美国Stanford大学、加州大学Berkley分校和Draper实验室采用微机械加工工艺生产的微硅加速度计就是采用压阻检测形式。梁在压力作用下,发生与压力成正比的形变,在梁上产生应力与应变,而做在梁上的扩散电阻由于硅的压阻效应,会发生与应变成正比的变化,将电阻接入Wheatstone电桥,通过,Wheatstone电桥梁量法测量输出电压的变化,就可以得到压力的情况,而压力是由作用在质量块上的加速度获得的,与加速度成正比,因此,输出电压的情形可以直接反映加速度的状况。1997年,韩国人KilinKwon和SekwangPark研制出一种应用SDB技术和多晶硅淀积的一种体加工三轴加速度计。在四根梁上做扩散电阻,对于垂直板块方向(即Z方向)的加速度,四个电阻一致增加或减小,而当板块受到平行板块方向(即X、Y方向)的加速度时,板块绕外框架发生扭转,四个电阻中,某两个增大,另两个减小,将这四个电阻按一定次序组成Wheatstone电桥,即可测试加速度。通过这种方式制造出的加速度计,测量范围为0.25gn,灵敏度为Z轴0.793mgn,X轴0.276mgn,Y轴0.226mgn,可以看出,由于xy与z轴测量方法不一致,导致xy与z轴加速度灵敏度差距较大。
1998年,J.A.Plaza、H.Chen等人将这种加速度计改进为双质量块形式[6],如图2所示。当有Z轴方向的加速度作用时,ABCD四个扩散电阻中,两个增大,另两个减小,将ABCD四个电阻按一定次序接入wheatstone电桥测试,就可以得到Z轴方向的加速度情况;对X、Y方向的加速度测试,仍然按照加速度计的测量方式进行,将abcd四个电阻按一定的次序接入wheatstone电桥进行测试,这样,统一了三个轴向的加速度测试方法,但由于测试Z轴向加速度的梁变化不如测试X、Y轴加速度的梁,因此在灵敏度方面还有较大的差距,其灵敏度为Z轴0.464mgn,X轴0.160mgn,Y轴0.093mgn。经过20年的研究和开发,关于压阻式加速度传感器的设计已经形成了一套比较成熟的理论体系,它具有加工艺简单,测量方法易行,线性度好等优点,已经于80年代末得到广泛应用。但是,压阻式加速度传感器有两个很严重的缺点:温度效应严重;灵敏度较低,一般只能到1mgn即0.01m/s2左右。通过温度控制电路可以对温度效应进行补偿,但提高灵敏度方面难度很大。3.3 电容式微硅加速度传感器70年代末以来,采用另一种检测方式的加速度传感器——电容式微硅加速度传感器的研究和开发是与压阻式微硅加速度传感器同步展开的,发展至今,也已形成了一套比较成熟的理论体系。电容式加速度传感器一般采用悬臂梁、固支梁或挠性轴结构,支撑一个当作电容动板电极的质量块,质量块与一个固定极板构成一个平板电容。加速度作用在质量块上,产生的力绕梁的固定端形成一个力矩,力矩使质量块发生位移,导致电容极板间距发生变化,使电容大小改变,通过检测电容的变化量,就可以得到输入加速度的情况。由于电容与极板间距成反比,因此电容的变化与输入加速度是非线性关系,为了测量的简便性和易实现性,需要将其转化成线性关系,而只有在极板间距变化量远小于极板间距时,才可以近似成线性关系,这就大大限制了加速度的测量范围。为改良这一不利因素,采用再平衡力反馈虽一个很好的解决方案,设立反馈电极,将输出电容信号转化为电压信号加载在反馈电极上,产生一个与加速度力矩相反方向的力矩,使质量块重新恢复到平衡状态,此时加载的反馈电压与输入加速度成正比,通过测试电压即可以得到加速度的情况。由于在加速度传感器中,电容变化量很小,一般为1×10-15F左右,因而检测电容信号并将其转化为电压信号的测试电路实现难度很大。另外,板块的运动必然会造成阻尼的影响,介质不同,阻尼系数不同,影响了加速度计的适用范围。考虑到梁的扭摆运动比弯曲更有利小板块运动时的阻尼,1990年,CSDL所研制出的扭摆式力平衡微硅加速度计成为90年代微硅加速度计的典型代表.
整个结构由一对挠性轴、其支撑的板块及板块上的检测质量块组成。检测质量块在加速度的作用下,产生一个力矩,该力矩使得板块绕挠性轴产生偏转,即使得挠性轴产生扭转形变,板块的偏转使其与极板上的电极构成的电容产生变化,加入再平衡回路,即在衬底上再做两个电极——激励电极,使其与板块再构成两个电容,在激励电极上加能使板块产生与原运动方向相反方向运动的电压,使板块再次恢复平衡,检测激励电压,即可反映出加速度的情况。设计这种扭摆式加速度传感器的关键在于决定挠性轴的基本尺寸,需要综合考虑传感器的灵敏度、刚性条件、弹性条件和固有频率等因素,这是由于刚性条件、弹性条件、固有频率与灵敏度是相互矛盾的。
目前,电容式微硅加速度传感器也正向三维方向发展,。用金属钨做的质量块置于一个由六块硅片围成的四方腔体中,在每块硅片上做三个电极,中间的一个用作输入,两旁两个用作输出,如图所示,硅片外用钨外壳封装,质量块与硅之间由PDMS(Polydimethylsiloxane)联系,用PDMS作介质,硅片上的电极与质量块就构成了平板电容, PDMS具有弹性,质量块在加速度产生的惯性力作用下拉伸或压缩PDMS,使电容发生变化,检测电容的变化,就可以得到空间加速度的情况。这种加速度计是用于医学领域的,该传感器尺寸为5mm*5mm*5mm,测量范围为±50m/s2,灵敏度达0.01m/s2。电容式加速度传感器具有温度效应小,灵敏度相对较高,可达0.01mgn(即1·10-4m/s2),加工工艺不复杂等优点,也是目前应用很广泛的一种加速度传感器,它的缺点在于,需要测量小电容,因而测试方法复杂,同时,由于分布电容和电磁干扰的影响,测试精确度不高。改进的方法是,在传感器与测试电路之间加入前置电路以去除干扰。
利用隧道效应做加速度传感器,可以得到极高的灵敏度,大约在10-9gn左右;而且由于是电流检测,抗干扰能力很强,温度效应小;由于质量块的机械活动范围小,因而其线性度高,可靠性好,是加速度传感器在高灵敏度,高可靠性方面应用的一个典型代表,也是加速度传感器发展的一个重要方向,成为目前加速度传感器研究的热门之一。而由于其精密性,造成了加工难度大的困难,成品率不高。隧道加速度计自出现以来显示了巨大前景,大量的位移传感器可以利用隧道效应来制作,必将出现一系列的隧道传感器。今后的研究主要关注于提高灵敏度,降低工作电压等方面。理论上由于器件尺寸缩小,热噪声变得不可忽视,关于噪声的理论研究越来越重要。
加速度传感器在经历了近二十年的发展,在原理、工艺、测试等方面已趋于完善,今后的研究发展方向主要是:用于精确制导的导航定位系统,和用于测试大加速度的炮弹引信方面,前者要求高灵敏度,而后者要求较大的测量范围。惯性导航(Inertialguidance)的概念是CharlesStark于本世纪40年代提出的,到了80年代,人们提出了在硅片上制作惯性导航系统的思想,于是就产生了微型惯性测量组合(MicroInertMeasurementUnit)这个概念,它将微型加速度计、微型陀螺(用于测试角速度)与测量、控制电路集成在硅单片上,通过对加速度与角速度的测试,就可以准确的获得物体的方位与运动情况,再通过执行器的控制,就可以达到导航的目的。
