MEMS加速度傳感器計(jì)量檢測技術(shù)的研究進(jìn)展

馬宇麗

摘 要：MEMS加速度傳感器計(jì)量檢測技術(shù)已經(jīng)成為計(jì)量檢測系統(tǒng)中的主流技術(shù)，在社會各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用。本文梳理了MEMS加速度傳感器計(jì)量檢測技術(shù)的概念及其發(fā)展脈絡(luò)，并對近年來最新的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞：MEMS加速度傳感器；計(jì)量檢測技術(shù)；研究進(jìn)展

目前MEMS加速度傳感器計(jì)量檢測技術(shù)已經(jīng)成為了檢查微位移的重要檢測手段和技術(shù)，特別是在航空航天領(lǐng)域和汽車領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。筆者在梳理已有學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，就未來的MEMS加速度傳感器計(jì)量檢測技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)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(jì)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(xué)科的研究成果，具有集成電路系統(tǒng)的許多優(yōu)點(diǎn)。近些年來，國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)與公司對MEMS加速度傳感器進(jìn)行了大量的研究工作，取得了許多研究進(jìn)展。意法半導(dǎo)體、美國AD等世界著名公司，以及美國斯坦福大學(xué)、日本豐橋大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)都展開了MEMS加速度傳感器的深入研究。日前，美國AD公司報(bào)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(jià)格低廉，平衡了消費(fèi)者對性能和價(jià)格的需求。意法半導(dǎo)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(dá)到24g，相當(dāng)于F1賽車在強(qiáng)勁剎車時(shí)產(chǎn)生的加速度的5倍左右，可在消費(fèi)電子和工業(yè)應(yīng)用中實(shí)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(guān)研究起步較早，自上世紀(jì)90年代以來便確定MEMS加速度傳感器為國家重點(diǎn)研究項(xiàng)目。清華大學(xué)、北京大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、東南大學(xué)、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(dá)到mg量級。

二、微位移測量的應(yīng)用及研究進(jìn)展

對于大量的管道運(yùn)輸工程，由于地形的復(fù)雜性和傳輸?shù)倪h(yuǎn)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(jì)和單片機(jī)、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(yùn)輸?shù)牡匦魏铜h(huán)境相對復(fù)雜，如果采用電纜供電，不僅浪費(fèi)大量的人力物力，而且在實(shí)際實(shí)施時(shí)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(shí)驗(yàn)室的條件下對系統(tǒng)進(jìn)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(gè)傳感器相對于重力場的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了整個(gè)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(gòu)成簡單，同時(shí)降低了應(yīng)用成本，在工程應(yīng)用中有一定的推廣價(jià)值。但是就模擬實(shí)驗(yàn)條件來看，存在的問題是實(shí)驗(yàn)室條件和實(shí)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(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，應(yīng)該在更加近似的環(huán)境下模擬得出。對于管道運(yùn)輸中，加速度傳感器還有另一個(gè)重要應(yīng)用，可用于供水傳輸管道的泄露點(diǎn)檢測。當(dāng)泄露造成的振動在水中傳播時(shí)，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(gè)傳感器檢測的時(shí)間間隔，估計(jì)出泄露的位置，對泄露管道的及時(shí)定位與處理具有良好的應(yīng)用價(jià)值。此外，Tottori大學(xué)通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M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(shí)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(yù)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(yīng)用，目前通過眾多研究者的努力，研究取得了一定的進(jìn)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(jìn)行檢測，準(zhǔn)確地分析出手指在空間運(yùn)動中的姿態(tài)和運(yùn)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(zhǔn)確率較高、運(yùn)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(jìn)行采集，對其運(yùn)動的檢測包括方向、軌跡、行程以及手指間的角度關(guān)系，對手勢語進(jìn)行了全面檢測。并提出將系統(tǒng)改進(jìn)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(shè)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(dú)立功能的“片上系統(tǒng)”（微系統(tǒng)）方向發(fā)展。據(jù)報(bào)道，美國加利福尼亞大學(xué)的克里斯？皮斯特已經(jīng)用微型鉸鏈、齒輪和發(fā)動機(jī)組裝成一個(gè)螞蟻大小的人造昆蟲，可以在地上爬來爬去。當(dāng)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(shù)的微加速度傳感器的研制必須根植于自身的技術(shù)、工藝特點(diǎn)，并能不斷滿足科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及軍民兩用的需求。

1、加強(qiáng)基礎(chǔ)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(jī)電傳感器截然不同，是一種全新的設(shè)計(jì)理念。目前MEMS傳感器研究中存在的許多有關(guān)微摩擦學(xué)、微機(jī)構(gòu)動力學(xué)、微流體力學(xué)和材料微觀力學(xué)特性等問題已經(jīng)成為制約MEMS技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”。因此，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究勢在必行。

2、探索新工作機(jī)理，開發(fā)新器件結(jié)構(gòu)

MEMS傳感器是機(jī)械、電子高度集成，甚至與光學(xué)、磁學(xué)效應(yīng)以及化學(xué)、生物學(xué)原理等交互綜合組成的器件。因此，基于先進(jìn)的物理、化學(xué)或生物學(xué)的原理，通過微型化和集成化來探索新機(jī)理、新結(jié)構(gòu)的微加速度傳感器將有利于充分發(fā)揮MEMS技術(shù)的科技潛力，開拓更為廣泛的市場空間。同時(shí)，將MEMS傳感器研制與納米技術(shù)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(xiàn)中對加速度傳感器的研究主要集中在單維，技術(shù)也比較成熟，關(guān)于多維加速度傳感器的研究文獻(xiàn)報(bào)道較少；對于一體化結(jié)構(gòu)的二維加速度傳感器，國外的研究歷史也不長。隨著科學(xué)技術(shù)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(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)、炮彈定向等軍工項(xiàng)目和汽車防震保護(hù)、自動剎車、醫(yī)療等民用項(xiàng)目服務(wù)。傳統(tǒng)的多維加速度傳感器是將多個(gè)一維加速度傳感器組合拼裝，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，成本高，與當(dāng)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(jī)械加工技術(shù)的不斷發(fā)展，基于MEMS技術(shù)的微加速度傳感器受到了各國科學(xué)家們的普遍關(guān)注，并在日新月異的傳感器領(lǐng)域內(nèi)顯示出良好的發(fā)展前景。但是，應(yīng)當(dāng)清楚地認(rèn)識到，我國在這方面仍有許多關(guān)鍵共性問題亟待解決，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。

參考文獻(xiàn)：

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