淺析微加速度傳感器的研究現狀及發展趨勢

陳鑫

摘 要 介紹了為加速度傳感器的研究現狀、基本原理及其分類和發展趨勢。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域內一些新的進展進行了討論，指出了微加速度傳感器的發展趨勢。

關鍵詞 傳感器 速度 電力系統

中圖分類號：TH824.4 文獻標識碼：A

20世紀末航空、航海和航天領域對慣性測量元件的需求，各種新型加速度計應運而生，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，用在慣性導航和慣性制導系統中，與海陸空天運載體的自動駕駛及高技術武器的高精度制導聯系在一起受到重視，直到微機械加速度計的問世才發生了改變。隨著微機電系統技術的發展，微加速度計制作技術越來越成熟，國內外都將微加速度計開發作為微機電系統產品化的優先項目。當前國內在加速度技術上仍沿用傳統的壓電技術，精度停留在5？0-5g水平上，而且尺寸偏大，重量偏重，影響我國慣導技術的先進性。近年來國內雖然有多個單位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展現狀

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，在單晶硅片上制造出來的微機電系統，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典力學中的牛頓定律，其功能是測量運動物體（如車輛、飛機、導彈、 艦艇等）的質心運動和姿態運動，進而可以對運動物體實現控制和導航。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量級，對國防具有重大戰略意義。基于MEMS 加速度傳感器建低成本、高性能的微型慣性導航系統正在成為當前慣性技術領域的一個研究熱點。

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別于其他慣性傳感器，其優點在于壽命更長、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、光纖等光學陀螺相比，在性能方面還有差距。據預測，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啊？00？/h，微機械加速度 計的偏置穩定性已達2～3 g，能滿足大量戰術武器的使用要求。

2我國微加速度傳感器的發展現狀

我國從20世紀80年代末開始了MEMS技術的研究，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；生物傳感器、生物芯片和微操作系統；微型機器人；硅和非硅制造工藝。國內公開發表文獻表明，我國研制的振動輪式機械陀螺零偏穩定性達到70？h，隨機游走噪聲達到30？分貝。但由于基礎研究的薄弱，技術人員的缺乏，技術和資金投入的不足，我國在各個技術方面與國外發達國家相比還有一定的差距，主要體現在批量生產時性能的穩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展趨勢

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

（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比較小，系統的靈敏度相對較低，這樣開發出高靈敏度的加速度計顯得尤為重要。

（2）溫漂小、遲滯效應小成為新的性能目標。選擇合適的材料，采用合理的結構，以及應用新的低成本溫度補償環節，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提供工藝路線。同時，標準化微機電系統工藝，確保加工結果均勻、穩定、提高成品率，為微機械加速度計投片生產提供一套利于操作、重復性好的工藝方法，也是微硅加速度計發展的重要方向。

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

4總結

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

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，2017（02）.