微加速度计概述：精准测量微小加速度

加速度计自20世纪40年代问世以后，由于其复杂的技术、昂贵的价格以及相对较大的质量和体积，一直仅在军事和航空航天等领域应用。这一状况直到Micro-Electro-Mechanical System（MEMS）技术的出现才获得了改善的机会。将MEMS技术应用于加速度计中，研究开发微加速度计，始于20世纪70年代。最初的研究主要集中在基于平面硅微工艺的硅微加速度计，1993年微加速度计开始商品化。随后，其应用领域迅速扩展。从军事领域到汽车工业再到现在的消费电子领域，微加速度计技术的发展是加速度传感器逐渐平民化的最主要推动力。近年来，微加速度计市场需求进一步扩大。

随着微加速度计技术的发展，微加速度计的种类也越来越多，可以根据不同的分类方法将其加以归类，如图5.1所示。以下介绍了部分类型微加速度计的工作原理及特点。

图5.1　微加速度计分类

（1）电容式微加速度计

电容式微加速度计的原理是敏感元件的电容随加速度的变化而变化。主要工作方式是变极距，即加速度产生的惯性力使检测电容的极板间距改变，导致电容发生变化。电容式微加速度计是最早商业化的加速度种类之一，种类也较多。图5.2是一种电容式微加速度计结构简图。该加速度计采用梳齿电容变化，增大了电容的变化量。检测电路的寄生电容对电容式加速度计测量误差有较大影响，且不容易消除。

图5.2　一种电容式微加速度计结构图

（2）隧道电流式微加速度计

图5.3　一种隧道电流式微加速度计结构图

隧道电流式微加速度计是利用隧道电流原理来实现加速度测量的。图5.3是一种隧道电流式微加速度计的典型结构。其基本结构包括一个由悬臂梁支撑的敏感质量块和一个与之相反的电极，在质量块上有一个小针尖，隧道电流现象就发生在这个针尖和相对的电极之间。由隧道电流的变化可以检测出质量块的偏移，从而检测加速度值。隧道电流式加速度计不能用来测量静加速度。

（3）压阻式微加速度计(www.xing528.com)

压阻式微加速度计的工作原理是利用敏感材料的压阻效应，即敏感元件的电阻随加速度变化而变化。图5.4为一种典型结构的压阻式微加速度计。敏感质量由四根对称分布的梁（弹性元件）支撑，每根梁上都制作有两个压阻型应变元件，并将它们连成电桥。当敏感质量在加速度作用下产生位移或振动，电桥输出的电压与相对于传感器基体的加速度成比例。其原理与传统的梁应变式加速度计相同，但尺寸更小、质量更轻、高频响应更快、灵敏度更高。目前已有多种型号的该类型加速度计进入商品化。其最主要的缺点是温度漂移比较大，测量精度不够高。

图5.4　一种压阻式微加速度计结构图

（4）压电式微加速度计

压电式微加速度计是利用某些材料，如PZT、ZnO、AlN等的压电特性进行加速度测量的。图5.5是一种压电式加速度计的典型结构。压电薄膜被夹在敏感质量块和基板之间。测量时，敏感质量块在惯性力作用下对压电薄膜施加压力，因压电效应产生电荷，并直接由电荷放大器接收和放大，然后测量。压电薄膜被划分成许多小块，其间填充有黏性聚合物，目的是增大阻尼。压电式微加速度计的响应与压电材料尺寸及其误差无关，灵敏度较高，且能测量较高频率的加速度；其缺点是不能测量静加速度。

图5.5　一种压电式微加速度计结构图

（5）微型热对流式加速度计

微型热对流式加速度计是不使用质量块惯性力的一种微加速度计。图5.6是该加速度计的结构原理图。其中有两个装有气体的密闭腔体，其间有一热源，两边有两个热敏元件。当热源工作时，气室中发生热对流。当没有加速度输入时，气流在热源两边做对称的逆、顺时针运动，此时的两个热敏探测元件的温度是相等的。当有加速度输入时，其中的气体分子会发生对流形式上的变化，从而使两边热敏元件所探测的温度发生差异。通过测量热敏元件温度的差值来测量输入的加速度值。

图5.6　微型热对流式加速度计结构原理图

（6）谐振式微加速度计

基于机械谐振技术，以谐振元件作为敏感元件而实现加速度测量的加速度计称为谐振式加速度计。谐振式微加速度计的工作原理是：谐振器（在微系统领域，一般为各种类型的梁或梁结构的器件，常见的有悬臂梁、双端固定音叉和三梁结构等）的谐振频率随其刚度的变化而变化，通过测量谐振器谐振频率的变化量来检测刚度变化值，同时建立加速度和谐振器刚度变化量之间的联系，即通过检测频率变化量来完成加速度的测量。