谐振式微加速度计的发展现状

1995年法国国家宇航局研究开发了一种振梁式石英微加速度计，振梁在平面内振动，加速度敏感方向垂直于该振动平面。该结构主要由化学湿法刻蚀工艺得到，传感器直径6 mm，敏感头体积2 cm3。当受到加速度作用时，质量块使振梁受到拉伸或压缩的应力，从而改变振梁的固有频率，通过测量振梁固有频率的变化就可以获得加速度值。这种传感器采用了内外双层框架的结构，如图5.7（a）所示。这主要是为了隔离振动和热应力的影响。实验显示振梁的谐振频率约为60 kHz，对加速度的灵敏度约为24 Hz/g。2006年他们又发表了基于上述结构的最新研究成果，结构如图5.7（b）所示。该结构消除了温度效应的影响，同时提高了传感器的灵敏度和分辨力。其分辨力300μg，测量范围±100 g，灵敏度30 Hz/g。可以看出，该加速度计灵敏度不高且结构复杂，体积较大。

图5.7　两种振梁式石英微加速度计结构

1998年，日本立命馆大学的研究人员提出了一种基于谐振子刚度变化测量加速度的谐振式硅微机械加速度计结构。将惯性力加载在振子刚度较小的横向[图5.8（a）]，可以很好地改变振子的刚度，从而改变其谐振频率。这种方法使得传感器的灵敏度较高，但由于谐振器元件的宽度只有1μm，其加工工艺较为复杂。目前还没有相关器件的报道。图5.8（b）是他们设计的基于该原理的三轴加速度计结构。在参考文献[60]中作者只给出了该加速度计的理论分析和有限元仿真的结果，并且也未看到后续报道。

2000年德国慕尼黑戴勒姆·克莱斯勒汽车公司技术中心在常用的硅质量块-悬臂梁基础上研制出结构和工艺都比较简单的谐振式硅微加速度计。该传感器包括一个由悬臂梁支撑的质量块，悬臂梁横向连接着一个双端固定的硅梁，在此硅梁上扩散了热敏电阻器和力敏电阻器，分别用作热激励源和拾振器，那么硅梁就成为一谐振元件（图5.9）。当传感器受到沿敏感轴方向的加速度时，质量块产生位移使悬臂梁弯曲，在谐振梁上产生压应力或拉应力，间接使谐振梁的固有频率改变，用压阻拾振器将此频率信号检出，则可以得到加速度参数。该传感器的谐振频率约为400 kHz，灵敏度约70 Hz/g。在该传感器的检测电路中主要使用锁相环对输出信号进行解调，激励信号与输出信号之间的耦合效应可以通过负反馈电路消除，但该传感器没有从结构上设计温度补偿。

图5.8　日本立命馆大学设计的加速度计结构和工作原理

图5.9　硅质量块-悬臂梁结构加速度计结构

美国加利福尼亚大学伯克利分校Ashwin A.S.博士等提出了一种基于双端固定音叉（DETF）谐振梁新型谐振式微机械加速度计，其结构如图5.10所示。结构中，质量块的惯性力经放大后作用在两个对称的双端固定音叉的轴线方向上，使其分别受到拉力和压力，从而改变DETF的谐振频率，通过测量其谐振频率的变化量检测加速度值。

图5.10　Ashwin A.S.博士等设计的加速度计结构

另外，伯克利分校的Su S.X.P.博士等人提出了一种基于二级微杠杆放大机构和DETF谐振器的微加速度计。加速度计结构的扫描电镜（SEM）结构图如图5.11（a）所示，图5.11（b）为其结构简图。该加速度计采用梳齿结构的静电激励和电容检测技术，其灵敏度为56 Hz/g。采用2μm体硅深刻蚀加工工艺，结构深度为50μm。

图5.11　Su S.X.P.博士等设计的加速度计结构

2005年，韩国首尔大学的研究者提出一种新的谐振式加速度计设计方案。该设计方案使用静电梳齿结构，当有加速度输入时，梳齿之间的静电力发生改变，改变谐振梁的静电刚度从而改变其固有频率，通过检测这一频率的变化量来测量加速度值。图5.12为他们所设计的三轴加速度计结构。报道显示该加速度计在平面内两个方向的灵敏度为128 Hz/g；而在垂直加速度计平面方向的灵敏度为70 Hz/g。与Berkeley的设计者一样，他们也使用DETF作为加速度计的敏感元件。(www.xing528.com)

在国内，许多研究机构也对谐振式加速度计进行了深入的研究。其中，具有代表意义的主要有：天津大学张国雄教授等人在2003年发表的基于DETF谐振器的微加速度计，北京大学微电子研究所在2005年报道的相似结构的谐振式加速度计。

图5.12　韩国首尔大学研究团队设计的加速度计结构

图5.13为天津大学张国雄教授的研究小组设计的谐振式加速度计机构，图示结构是基于双质量块和双DETF谐振器的差动结构加速度计，报道的设计灵敏度为2 Hz/g。

图5.13　天津大学研究小组设计的加速度计结构

图5.14为北京大学微电子所郝一龙教授等人于2005年发表的研究论文中所设计的加速度计结构图。该结构表明：谐振器使用双端固定音叉（DETF），梳齿式静电激励和电容检测原理，周围是大质量块经放大机构放大后惯性力加载于DETF的轴向。报道的测试灵敏度为27.3 Hz/g，分辨力为167.8μg。但在他们的报道文献中没有发现关于力放大机构的力学分析以及对谐振器的阻尼分析等研究内容。

图5.14　北京大学微电子所设计的加速度计结构

此外，中科院电子学研究所传感技术国家重点实验室、南京理工大学、东南大学、北京航空航天大学和重庆大学等单位的研究者也发表了他们对谐振式微加速度计的研究报告。图5.15为中科院电子所设计的谐振式加速度计原理图；图5.16是南京理工大学研究者设计的加速度计结构；图5.17是重庆大学和中国工程物理研究院共同设计制作的微加速度计结构。

图5.15　中科院电子所设计的加速度计结构

图5.16　南京理工大学研究者设计的加速度计结构

图5.17　重庆大学等单位设计的加速度计整体结构