加速度感測器的簡述
北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院夏偉強
1.加速度感測器的意義
加速度感測器是一種能夠測量加速力的電子裝置，廣泛用於航空航天、**系統、汽車、消費電子等。通過加速度的測量，可以了解運動物體的運動狀態。可應用在控制，手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，**檢測，報警系統，玩具，結構物、環境監視，工程測振、地質勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；滑鼠，高層建築結構動態特性和安全保衛振動偵察上。
2.加速度感測器的工作原理
根據牛頓第二定律：a(加速度)=f(力)/m(質量)。
只需測量作用力f就可以得到已知質量物體的加速度。利用電磁力平衡這個力，就可以得到作用力與電流（電壓）的對應關係，通過這個簡單的原理來設計加速度感測器。本質是通過作用力造成感測器內部敏感元件發生變形，通過測量其變形量並用相關電路轉化成電壓輸出，得到相應的加速度訊號。
3.加速度感測器主要技術指標
a）量程。比如測量車輛運動只需幾十個g量程，但是測量**系統的侵徹指標，就需要感測器的量程達10萬g甚至更大。
b）靈敏度。一般來說，越靈敏越好。越靈敏的感測器對一定範圍內的加速度變化更敏感，輸出電壓的變化也越大，這樣就比較容易測量，從而獲得更精確的測量值。
c）頻寬。主要指感測器可測量的有效頻帶。對於一般只要測量傾角的應用，50hz的頻寬應該足夠了，但是對於需要進行動態效能，比如振動，你會需要乙個具有上百hz頻寬的感測器。
4.加速度感測器發展現狀及發展趨勢
市場上佔統治地位的加速度感測器是壓電式、壓阻式、電容式、諧振式等。
壓阻式加速度感測器具有加工工藝簡單，測量方法易行，等優點。但是，溫度效應嚴重，工作溫度範圍窄，並且靈敏度低，一般只有1mg左右，要繼續提高靈敏度難度很大。壓電式加速度計訊雜比高，靈敏度高，結構簡單，但是訊號處理電路較複雜，存在零漂現象不可避免，並且回零慢，不適宜連續測試。
微電容式加速度計具有結構簡單、靈敏度高、動態特性好、抗過載能力大，易於整合，不易受溫度影響，功耗低，但是，存在輸出特性的非線性、寄生電容、分布電容對靈敏度的影響，以及訊號處理電路複雜等問題。近些年，諧振式微機械加速度計越來越受到各國的重視，其數位化輸出、高可靠性、高重複性等特點，不僅能大幅度降低微弱訊號的檢測難度，簡化外圍處理電路，而且具有優良的低頻特性。
（1）研製高g值加速度感測器
高量程加速度感測器，主要用於軍事和航空航天等領域。隨著近些年來侵徹**和航空航天的發展以及對**衝擊現象研究的深入，對高g值加速度感測器的要求也逐漸增高。
1高g值加速度感測器的工作環境一般比較惡劣，所以首先要有堅固的結構，能承受強烈的、高過載的力學衝擊，而且要有較寬的測量範圍，能正確地測量整個衝擊過程中瞬時加速度的變化過程，其次加速度感測器要有耐高溫、抗強電磁輻射的能力。而採用微機械加工工藝的高g值加速度感測器，具有體積小、量程高、頻響高、精度高、可靠性高和便於批量製造等優勢，因此大多數的高g值加速度感測器都採用微機械加工工藝。
壓阻式加速度計主要的研究單位有加拿大alberta微電子中心、美國endevco公司、浙江大學與中科院上海微系統所等。其中，美國endevco公司生產的7270a系列壓阻式加速度感測器量程最高為2×105g，安裝諧振頻率最高約為1.2mhz，是目前已知加速度感測器中最高的，如圖4所示。
a感測器敏感元件結構b感測器封裝形式
圖4endevco研製的7270a-200k加速度感測器
我國在研製高g值加速度感測器方面與世界差距比較大，尤其在可靠性、穩定性方面尤為突出。這方面的差距大大限制了我國先進**的研製與航空航天的發展，所以我國的感測器研究單位，在根據已有高g值感測器的結構，對其各項引數進行合理的**、優化和改進，研製效能更好的高g值感測器。並且，隨著新材料、新工藝的發展，採用sic和多晶金剛石材料，甚至是準單晶金剛石薄膜，研製量程和頻響更高、抗電磁輻射更強的新型加速度感測器。
雖然這些材料製作感測器的加工工藝不如矽微機械加工技術成熟，如何利用這些材料製作感測器的微機械加工工藝，成為高g值加速度感測器發展的重點之一。研究新的物理效應和敏感手段。如微隧道電流式、微諧振式等新式感測器的出現，為高g值加速度感測器的製作提供乙個新的發展方向。
（2）微小型化多軸感測器的研究
由於mems工藝、積體電路技術的發展以及軍事、商業市場的需求逐漸增強，多軸加速度感測器的研究逐步成為熱點。2023年，日本的ranjith amarasinghe1和dzungvietdao研製了用於醫療領域的6自由度加速度感測器，它可檢測3個方向的加速度和3個方向的角速度。其結構如圖5，尺寸大小為3mm×3mm，橫向靈敏度小於2%。
主要由等離子刻蝕和鍵合完成製作，利用wheatstone電橋的巧妙連線來實現對各個加速度和角速度的測量。
據《日經微器件》2023年第10期報道，日立金屬在2023年8月開發出了世界最小尺寸的3軸加速度mems 感測器。該mems 感測器的外形尺寸僅為2.9mm ×2.
9mm ×0.92mm ，體積為7.7mm 3。
這是乙個壓敏阻抗的mems 感測器。採用10引腳、loc (lead on chip )封裝形式。並在2023年年底批生產。
3v 工作時的電流耗量為0.35ma ，採用壓敏阻抗方式。可測定加速度範圍可選擇±2g 和±4g 。
目前仍採用陶瓷封裝和引線鍵合技術。到2023年左右開發的1mm 角的mems 感測器將考慮採用樹脂封裝材料和新的鍵合技術。
（3）實現mems 技術與cmos 工藝的相容
目前，國外在研究二次整合技術的同時，整合智慧型感測器在工藝上的研究熱點集中在研製與cmos 工藝相容的各種感測器結構及製造工藝流程，探求在製造工藝和微機械加工技術上有所突破。
基於mems 技術基礎可以實現多個微感測器的整合化，運用傳統的***s 積體電路工藝，mems 可以形成微加速度感測器智慧型化功能所需的調理電路和控制電路，使感測器具有了測控和傳輸的微執行器功能。
2023年，加拿大的behraad bahreyni 和c.sha-fai 提出一種用foundry 製造加速度感測器的結構，採用雙層梁，利用cmos 工藝生成的多晶矽作為敏感電阻載體。這樣就完成了cmos 體加工工藝與mems 的完全相容，使得加速度感測器靈敏度達到23.
9mv/g （量程為1g ）和370mv/g （量程為30mg ）。
（4）開發諧振式加速度感測器
諧振式感測器具有高穩定性、高精度、準數位化輸出等許多優點，但傳統的感測器頻率訊號檢測需要較複雜的裝置，限制了諧振式感測器的應用和發展，現在利用同一矽片上整合的智慧型檢測電路，可以迅速提取頻率訊號，使得諧振式微機械感測器成為國際上感測器領域的乙個研究熱點。
諧振式微機械加速度計是新一代高精度微機械加速度計的發展方向，國外已有單軸樣機研發的報道，如美國uc.berkeley 大學、德國munich 微系統中心和benz 技術中心及南韓漢城國立大學的研究成果，但距離產品化還有一定的距離。國內的北京大學、南京理工大學、北京航空航天大學也進行了相關的研究，尚處於實驗室原理樣機研究階段。
國內北京航空航天大學以靜電激振、電容拾振的諧振式矽微機械加速度計為研究物件，對其設計理論、結構優化、工藝實現和樣件測試進行了研究。
針對目前微機械加速度計產品
圖5六自由度加速度結構
精度偏低的問題，提出了一種結構新穎的諧振式微機械加速度計的整體實現方案，採用了單
端強約束結構、框架式質量塊、高q值音叉諧振器、剛度解耦的微槓桿放大機構和差動測量的方式，**結果表明，設計的結構可以實現了較高靈敏度和精度的加速度測量。
為高效提高器件靈敏度，利用mems結構特性和柔性鉸鏈的功能，設計了一種剛度解耦的微槓桿機構，對機構進行了建模和優化，實現了較高的放大倍數和結構剛度解耦。
針對諧振式微機械加速度計諧振器振動測試的特點，設計了基於麵外振動測試儀的加速度計光學測試系統，實現了較低成本、高精度的振動測試。測試器件的諧振頻率f r＝81700hz
，品質因數
q值為98。原理樣片的顯微**如下圖所示：
參考文獻
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[5]劉廣玉.感測器的現狀和未來.測控技術，1999，18(3)：1～3
夏偉強（1981~），男，滿族，中北大學測試計量技術及儀器碩士，研究方向為高衝擊環境加速度測試與系統校準。2023年至今在北京航空航天大學精密儀器及機械攻讀博士學位，主要研究方向為精密儀器及感測器技術，空間生物細胞影象感測技術。
圖6諧振式微機械加速度計的顯微**
AD系列ICP加速度感測器通用型
秦皇島鑫華科技 186傳真 0335 4682998 1ad 系列icp 加速度感測器，是內裝微型 ic 積體電路放大器的壓電加速度感測器，它 將傳統的壓電加速度感測器與電荷放大器集 成於一體，能直接與記錄和顯示儀器連線，簡化 了測試系統，提高了測試精度和可靠性突出特點低阻抗輸出，抗干擾，噪音小價效...
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