谐振式微加速度计综述

谐振式微加速度计综述学号：22007109 姓名：柯小路摘要：微谐振式加速度计是一种新型的加速度计，由于其独特的优点，己成为微传感器的重要发展方向之一。

本文首先对各种加速度计的优缺点进行了简要比较，然后着重介绍了硅微谐振式加速度计的工作原理、加工工艺、技术指标和几个典型的结构设计实例。

关键词：加速度计、谐振原理、DETF、微杠杆Summary of Resonant Micro-AccelerometerAbstract：Micro-resonant accelerometer is a new kind of accelerometer, and hasbecome an important direction of micro-sensor, due to its unique advantages.In this issue, firstly I make a brief comparison of the advantages and disadvantages of various accelerometers. Then I focus on introducing the processing technology, technical indicators and several typical examples of the silicon micro-resonant accelerometer.Key words: Accelerometer、Resonance、DETF、Micro lever1.引言——加速度计分类信息获取与处理己经成为现代信息技术领域的核心，对社会发展、科技进步起着重要的作用。

传感器作为信息获取与处理系统的最前端部件，直接面向被测对象，并将获取到的参数转换为电信号，是现代信息技术的重要基础。

传感器技术是一门学科跨度大的技术，是测量技术、信息处理技术、计算机技术、半导体技术、微电子学、光学、声学、仿生学、材料学、精密机械等众多学科相互交叉的综合性学科。

加速度计是传感器的一个重要分支，按照检测机制的不同，可以分为以下五类[1]：1.1压阻式加速度计压阻式加速度计将压敏电阻装在悬臂梁应力变化最明显的部位。

当敏感质量块发生位移时，会引起悬臂梁的伸缩，改变梁上的应力分布，进而影响压敏电阻的阻值。

通过两个或四个压敏电阻组成的电桥就可以实现加速度的测量。

压阻器件最大的优点是结构、制作工艺和检测电路都相对简单;缺点是它对温度太敏感，工作稳定性差，灵敏度也不高。

1.2隧道电流型加速度计隧道电流型加速度计是一种高精度的微机械加速度计，它是将微硅机械结构与基于电子隧道效应的高灵敏测量新技术结合在一起形成的。

其基本原理是利用在窄的真空势垒中的电子隧道效应，利用原子线度针尖与电极之间的隧道电流变化来检测加速度。

隧道电流对针尖与电极之间的距离变化非常敏感，外界加速度引起针尖与电极之间的相对位移，会导致隧道电流对位移的指数变化。

可以用力反馈的方法保持隧穿电流的恒定。

这样加速度变化引起的惯性力变化就可以通过静电平衡力来检测。

其缺点是需要闭环控制电路和电压的长期漂移，而且该类型的加速度计不能检测静态加速度输入。

1.3微型热对流加速度计微型热对流加速度计是利用封闭空气囊内的自由热对流对加速度敏感性实现测量。

它的两个温度传感器对称地分布在装有气体的密闭腔体两侧，中间有一个热源。

在没有加速度输入时，气体在热源两侧做对称运动，此时两个温度传感器检测到的温度是相等的，当有加速度输入时，腔体内体分布发生变化，从而使两侧的温度产生差异，根据两个温度传感器检测的温差就可以推导出加速度。

因为这类加速度计中没有大的质量块，所以具有很强的抗冲击能力，精度也很高，理论上可以达到ug级[3]。

1.4微电容式加速度计微电容式加速度计是利用敏感质量块与检测电极间的相对运动所引起的电容变化来测定加速度。

它主要由敏感质量块、悬臂梁和两个固定电极组成，可以检测平行于硅平面的加速度。

悬臂梁和两个固定电极构成一对平板差动电容结构，通过测量差动电容的变化就可以得到加速度值。

它具有精度高、噪声特性好、漂移低、温度敏感性小、功耗低、结构比较简单等优点。

采用MEMS结构制成的微电容式加速度计有两类:一类是体微机械加工加速度计，一类是表面微机械加工加速度计。

微电容式加速度计按照控制方式的不同还可以分为开环和闭环两种控制方式。

1.5谐振式加速度计谐振式加速度传感器是一种典型的微机械惯性器件，其基本工作原理是利用振梁的力频特性，通过检测谐振频率变化量获取输入的加速度大小。

按照材料的不同，还可以分为硅微谐振式加速度计和石英谐振式加速度计。

硅微谐振式加速度计与传统石英谐振式传感器相比具有以下优点[2]：1)半导体单晶硅的杂质浓度极低，是一种理想的弹性结构材料;2)MEMS工艺能够制造尺寸非常小的谐振器单结构(在SOA中能够达到毫米级)，它可以很好的隔离附加器件的压力带来的影响;3)基于电容的谐振器的静电驱动和检测比压电石英技术具有更大的设计灵活性;4)MEMS传感器固有的小尺寸特性使紧凑的再入结构型惯性测量器件的发展成为可能;5)MEMS工艺具有廉价的特性，这为硅微谐振式加速度计的快速商业化实现提供了可能。

此外，硅微谐振式加速度计具有体积小、重量轻、功耗低、测量精度高、稳定性好、易批量生产、直接输出准数字量等优点。

由于输出信号为频率信号，是一种准数字信号，不易受到环境噪声的干扰，在传输和处理中也不易出现误差，因此，这种传感器易于实现高精度测量，属于高性能器件，已成为微传感器的一个重要发展方向。

硅微谐振式加速度计的上述特点，决定了其具有良好的发展前景。

因此，国内外很多国家都投入了巨大的人力物力进行研究，并不断取得技术上的突破和应用上的拓展。

2.国内外研究发展现状[2]2.1国外研究发展现状在谐振式加速度计方面，Draper实验室率先进行了研究，目前处于国际领先地位。

图3所示为其研制的平面内(侧向)硅微谐振式加速度计(SOA)的振梁结构。

该结构主要包括一个静电驱动的振动音叉谐振器结构，谐振器的一端与大的硅质量块相连。

有外界输入加速度作用于振动平面内时，谐振器受到沿轴向的载荷作用，使其谐振频率发生改变。

谐振器的激振和检测通过硅梳齿驱动结构实现。

图1硅微谐振式加速度计Draper实验室开发的微机械加速度计主要应用于战术导弹，对稳定性要求比较高。

该加速度计采用差分式结构，其基频为20kHz，标度因数为100Hz/g，标度因数稳定性为3ppm，零偏稳定性为5ug。

该加速度计采用SOG(Silicon On Glass)工艺制备，传器封装在陶瓷真空封装管壳内，从而获得很高的品质因数Q(典型值>100000)。

图2 基于两级微杠杆机构的加速度计美国California大学Berkeley分校研究者于1997年采用表面微机械加工工艺，在速度计中使用微杠杆力放大装置制成了双端固定音叉谐振式加速度计，谐振器的零入谐振频率为68kHz，标度因数为45Hz/g。

Berkeley分校研究者于2005年发表了基两级微杠杆机构的谐振式微加速度计，如图2所示。

当有加速度作用于质量块时，产生的作用力经二级放大杠杆结构传递到DETF上通过检测DETF谐振频率的改变量来测得加速度的大小。

二级杠杆的作用是提高其敏度。

经测试，其灵敏度达160Hz/g，是目前公开报道中灵敏度最高的谐振式加速计。

它采用的是SOI-MEMS加工工艺。

图3为Berkeley分校研究的表面加工技术制造的双端音叉加速度传感器。

传器包括质量块、两个双端音叉和支撑梁，双端音叉通过力放大结构两端的支撑梁与叉连接。

音叉通过横向运动的梳状电容驱动在谐振频率点上振动，并作为谐振电路馈回路的一部分，以维持振动。

当加速度作用在质量块上时，产生双端音叉轴向方的作用力，改变系统的势能，从而改变音叉的振动频率。

其基本原理类似于吉他琴的工作原理，即通过轴向作用力改变谐振频率。

两个双端音叉的差动输出可以消除模误差的一阶分量对频率的影响，如温度和交叉轴干扰等。

双端音叉加速度传感器利用Sandia国家实验室的Summit工艺制造，实现了微机结构和处理电路的集成。

音叉振动频率为145kHz，Q值为10000，噪声功率在300Hz时为-100dBc/HZ，噪声等效水平为图3音叉式加速度传感器韩国Seoul National University在硅微加速度计方面也有一定的研究。

其于2004宣布制成了一种差分谐振式加速度计。

其标度因数达到64Hz/g，谐振频率为24.8kHz，带宽为110Hz，分辨率为5.2ug。

2006年发表了应用真空封装以及硅一玻璃阳极键合术制作的单晶硅加速度计，其具体结构如图4所示，其样品为韩国Seoul National University和Samsung公司开发的导航级谐振式加速度传感器DRXL。

垂直方向的速度测量利用了静电调节效应，通过加速度产生的惯性力改变弹性梁承受的静电力实现对弹性刚度系数的改变，从而引起谐振频率的变化，并采用两个形状互补的质块实现差动测量。

加速度传感器采用末端带有质量块的双端音叉，利用惯性力改变音叉的轴向力，从而改变谐振频率。

其测得的谐振频率为24kHz，灵敏度为128Hz/g，频率稳定度为，带宽为110Hz，精度为5.2ug。

垂直加速度测量谐振频率为12kHz，灵敏度为70Hz/g，频率稳定度为，带宽为l00Hz，精度为2.5ug。

图4Seoul National University设计的加速度计2.2国内研究发展现状国内对于硅微谐振式加速度计的研究工作起步于2000年左右。

尽管处于起步阶段，北京大学、清华大学、南京理工大学等多家单位以及研究所正在致力于这方面的研究，并不断地取得研究成果，具有很好的发展前景。

目前在理论研究方面，重庆大学和中国工程物理研究所进行了两级杠杆放大装置的研究，放大倍数达102倍，并给出了仿真验证，灵敏度为52Hz/g ；北京航空航天大学利用ISIGHT软件，采用遗传算法对杠杆结构参数进行优化；实现的放大倍数为9.67。

在已报道的样品方面，天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室等单位开发的谐振式加速度计灵敏度为2Hz/g ；北京大学微电子实验室发表了关于使用体硅加工工艺制成样品的相关论文，其灵敏度为27.3Hz/g，分辨率为167.8ug。

3.工作原理加速度计是根据惯性原理相对惯性空间工作。

直接测量加速度本身是很困难的，虽然载体的加速度可以通过位移传感器或速度传感器获得，但通常大多数加速度计是借助敏感质量将加速度变成力进行间接测量的。

根据牛顿第二定律，作用于物体上的力等于该物体的质量乘以加速度。

换言之，加速度作用在敏感质量上，敏感质量将其感应为惯性力，测量该惯性力，就可以间接地测量到载体的加速度。