光电测加速度原理

MEMS加速度计的原理及运用
篇一:光电测加速度原理

MEMS加速度计的原理及运用

高鹏 黄国胜

2006．12.19

目录

1.MEMS加速度计基本原理分析

1.1 MEMS简介

1.2微加速度计的类型

1.3 差分电容式加速度计的结构模型及其工作原理

1.4 MEMS微加速度计的制造工艺

1.5 MEMS微加速度计主要性能指标的设计和控制

1.6 MEMS加速度计的其它结构

1.7 各厂商MEMS加速芯片参数对比

1.8 线性度

1.9灵敏度与功耗 2．MEMS加速度计国内外现状

3．微加速度计的发展趋势

4．MEMS加速度计应用前景分析

5．用MEMS加速度计测量加速度、角度

1.1MEMS简介

随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功，应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计（microaccelerometer）就是惯性传感器件的杰出代表。微加速度计的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。结合陀螺仪（用来测角速度），就可以对物体进行精确定位。根据这一原理，人们很早就利用加速度计和陀螺进行轮船，飞机和航天器的导航，近年来，人们又把这项技术用于汽车的自动驾驶和导弹的制导。汽车工业的迅速发展又给加速度计找到了新的应用领域，汽车的防撞气囊（Air Bag）就是利用加速度计来控制的。

作为最成熟的惯性传感器应用，现在的MEMS加速度计有非常高的集成度，即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。本文将就微加速度计进行初步设计，并对其进行理论分析。

1.2 微加速度计的类型

1.2.1 压阻式微加速度计

压阻式微加速度计是由悬臂梁和质量块以及布置在梁上的压阻组成，横梁和质量块常为硅材料。当悬臂梁发生变形时，其固定端一侧变形量最大，故压阻薄膜材料就被布置在悬臂梁固定端一侧（如图1所示）。当有加速度输入时，悬臂梁在质量块受到的惯性力牵引下发生变形，导致固连的压阻膜也随之发生变形，其电阻值就会由于压阻效应而发生变化，导致压阻两端的检测电压值发生变化，从而可以通过确定的数学模型推导出输入加速度与输出电压值的关系。压电式微加速度计是最早出现的微加速度计，其优点是：结构简单，芯片的制作相对容易，并且接口电路易于实现。其缺点是：温度系数比较大，对温度比较敏感；和其他原理微加速度计相比，其灵敏度比较低，蠕变和迟滞效应比较明显。

图1：压阻式微加速度计原理图

1.2.2 电容式微加速度计

电容式微加速度计是最常见的，也有成熟推广的产品。其基本原理就是将电容作为检测接口，来检测由于惯性力作用导致惯性质量块发生的微位移。质量块由弹性微梁支撑连接在基体上，检测电容的一个极板一般配置在运动的质量块上，一个极板配置在固定的基体上。图2所示为典型的三明治结构的平板电容式微加速度计。还有AD 公司开发的电容式微加速度计采用梳齿阵列电容作为检测接口。电容式微加速度计的灵敏度和测量精度高、稳定性好、温度漂移小、功耗极低，而且过载保护能力较强；能够利用静电力实现反馈闭环控制，显著提高传感器的性能。

图2：电容式微加速度计示意图

1.2.3 扭摆式微加速度计

扭摆式微加速度计的敏感单元是不对称质量平板，通过扭转轴与基座相连，基座上表面布置有固定电极，敏感平板下表面有相应的运动电极，形成检测电容(如图3) 。当有加速度作用时，不对称平板在惯性力作用下，将发生绕扭转轴的转动。转动角与加速度成比例关系，可用下式表示：

maL = Kθ （3）

式中， a 为输入加速度；L 为质量平板质心到支撑轴转动中心的距离；K 为支撑轴的扭转刚度系数；θ为平板的扭转角。

图3：扭摆式微加速度计的结构

当质量平板发生偏移时，可以利用电容的静电力来调节平板的偏转角度，提高系统的测量范围，改善系统的动态特性。其基本特点与电容式类似。

1.2.4 隧道式微加速度计

隧道效应就是平板电极和隧道针尖电极距离达到一定的条件，可以产生隧道电流。由J.G.Simmons 推导的隧道电流和针尖与下电极之间的距离关系可以描述为：

I∝ V×exp ( -αkx) （4） 式中，V 为施加在电极两端的电压；α为有效势垒高度；x 为电极间隙；k为常数。

这样可以看出，隧道电流与极板之间的间隙 x 呈负指数关系。隧道式微加速度计常用悬臂梁或者双端固支梁支撑惯性质量块，质量块在惯性力的作用下，位置将发生偏移，这个偏移量直接影响到隧道电流的变化，通过检测隧道电流变化量来间接检测加速度值。系统的典型结构示意图如图4 所示。

图4：隧道式微加速度计原理示意图

隧道式微加速度计具有极高的灵敏度，易检测，线性度好，温漂小，抗干扰能力强，可靠性高。但是由于隧道针尖制作比较复杂，所以其工艺比较困难。还有其他一些新型加速度计，譬如基于热阻抗原理的热加速度计，也具有很好的实

用光电控制计时法测重力加速度
篇二:光电测加速度原理

实 验 报 告

高度差来消除误差。若S1=gt12 ，S2=gt22，两式相减整理有g2221，即 22t2t1

2s g2 （2-6） t2t12

上述测定重力加速度值的实验，还可以用稍微不同的方式进行。如图2-2所示，让物体从O点开始自由下落，设它到达点A的速度为v1。从点A开始，经过时间t1后，物体到达B点。令A、B间的距离

1为s1，则 s1=v1t1+gt12 （2-7） 2

O A 1

B s2 O A

B’

图2-2 自由落体示意图

若保持前面所述的条件不变，则从点A起，经过时间T2后，物体到达点B′。令A、B′间的距离为s2 ,则

四 实验步骤：

1．将重锤悬挂在铁芯上，调节底座螺旋，使支柱处于铅直状态后，取下重锤。

2．吸住小球。将第一个光电门固定在小球恰好不挡光的地方，调整第二光电门与第一光电门的距离，然后测出这个距离。

3．使小球自由下落，记下数字毫秒计上显示时间t，共测６次。

4．改变第２光电门的位置，重复上述步骤。

5．按式（2-6）计算重力加速度的平均值。

6 计算不确定度。

五 数据记录：（根据实验要求设计实验记录表格）

六、数据处理及误差计算：（按实验要求计算、作图得出实验结果，计算误差，最后正确表示出实验结果。）

七、实验结果分析与问题讨论：

1．调节仪器铅直放置，上下两光电门中心在同一条铅垂线上，使小球下落时的中心通过两个光电门的中心。

2．对每一时间值要进行多次测量。

3．实验中支柱不应晃动，操作中不要碰撞实验装置。

从设计原理上详细介绍加速度传感器的特性
篇三:光电测加速度原理

加速度传感器性能、特性详细介绍

一、原理及应用

为什么用加速度传感器？

在各种工程领域中，在各种结构物和各种机器的开发、试验和运行监测中，冲击和振动测量是至关重要的。加速度传感器具有测量精度高，频率和幅值响应宽，体积小，重量轻，寿命长，易于安装等优点而广为采用。endevco是唯一的能同时提供压电式加速度传感器、集成电路压电式加速度传感器、压阻式加速度传感器、变电容式加速度传感器的厂家。

传感器与信号调理器

传感器：将感受到的物理量作为输入并按一定规律转换成测量所需物理量后输出的一种装置。它通常由敏感元件和转换元件组成。

信号调理器：将传感器的输出信号进行阻抗变换，放大，滤波，归一化，数字化等处理统称为信号调理，顾名思义，适调（Conditioning）意指根据测试和后续读显，数据采集，记录仪器的要求对信号进行适当的调节，实现上述功能的仪器称为信号调理器（Signal Conditioner），必要时信号调理器还有供电，积分，平衡，校准，过载指示，电平检测等功能。

机电传感器

将被测的机械量（应变，力，运动等）；按一定规律转换成电量或电参数量的一种装置。用于振动和冲击的有：

1）压电加速度传感器；2）集成电路压电加速度传感器；3）压阻加速度传感器；4）可变电阻传感器；5）可变电容传感器；6）应变计；7）可变磁阻传感器； 8）磁致伸缩传感器；9）电涡流式传感器；

10）动圈式传感器；11）电感传感器； 12）压力传感器；13）力传感器；14）阻抗头。

惯性传感器

利用惯性系统中有关元件的相对运动产生输出信号的传感器。 （见国家标准GB/T 2298-80） 由单自由度系统中质量与基座的相对运动而产生与基座运动成比例的输出信号的传感器。

压电式(PE)加速度传感器

压电电子学定义：

压电加速度传感器采用了质量—弹簧结构，它产生的作用力与振幅和频率成正比，作用到压电陶瓷上，使其末端产生电荷，它是自发电式，不需外接电源，可在极高极低温度下工作，结构牢固性好。 石英是天然压电材料，灵敏度低，常用的是人造的铁电材料，由人工极化可获得高灵敏度、高工作温度和输出稳定性。Endevco的压电元件采用人工极化，具有高稳定性。光电测加速度原理。

压电式加速度传感器

在加速度传感器设计中采用了各种结构型式：

压缩式和单端压缩式（SEC）

通过中心螺柱上的质量块M给敏感元件K施加预紧力，敏感元件可看作弹簧。

特点：灵敏度高，共振频率高； 适合于一般用途。

基座隔离式

通过特定外型的底座来隔离各种非振动环境。

特点：大大地减小了底座各种耦合因素的影响，减小了底座应变和瞬态温度的影响，使加速度传感器更适合于低振级测量。

环形剪切式

环形质量块紧紧地固定在环形敏感元件的外周边，以产生剪切力。

特点：尺寸小、重量轻、适用于冲击测量和轻型结构物的测量，敏感元件与基座做到了很好的隔离，因

此对基座弯曲和环境噪声不敏感。敏感元件承受剪切可大大减小瞬变温度产生热电效应的灵敏程度。 中心孔安装环形剪切式

采用中心孔安装的环形剪切式设计的加速度传感器大大地方便了安装。

特点：可将接线头定位在最为方便的方向上。

隔离剪切式

通过安装螺钉将平片状压电敏感元件叠堆装到中心立柱上，这是最新式的剪切设计形式。

特点：采用多片敏感元件和补偿元件，可获得更宽的灵敏度范围和温度范围。可采用各种敏感元件，以获得最佳的温度稳定性，在各种环境条件下获得最高的信噪比。

集成电路压电（IEPE）加速度传感器

Endevco公司将带有内装电路的压电加速度传感器称之为ISOTRON，其电增益可用来减小传感器尺寸和增加灵敏度。可带内装电子滤波器来调节传感器频响或抑制其机械共振以适应某些特殊要求。它可以用銲针代替同轴插座，从而减小了尺寸，降低了造价，应用也较灵活。

压阻(PR)加速度传感器

压阻电子学定义：

压阻式（PR）应变元件为固态硅电阻，其电阻值与作用于它的机械应力成正比。

传统设计中，单个的应变片机械地被粘贴到悬臂梁上，将其电连接成惠斯登电桥。它所产生的电信号与振动运动成正比。与金属丝应变片相比，压阻式应变片的机械迟滞小得多，灵敏度高几个数量级。这种整体式传感器是由微机械加工制成的，这样可使扩散硅应变片和加速度传感器的机械元件生成在同一块硅片中，无需环氧粘贴等机械连接，具有极好的可靠性和线性，硅材料具有极高的屈服强度和压阻系数，传感器的设计应力值较低，可使其经久耐用，且信噪比极高。

Endevco压阻加速度传感器

具有零频响应是压阻式加速度传感器的优点，从而极适合于测量运输振动、汽车碰撞研究和爆炸试验中的长持续时间脉冲。它使用外接电源，输出阻抗低，灵敏度高，输出信号不需要再放大，可缩小尺寸，且用作标准。应用翻转法或旁路分流法可进行校准。

变电容式（VC）加速度传感器光电测加速度原理。

Endevco称之为Microtron系列的加速度传感器中采用了变电容原理测量加速度。用微机械加工的办法在同一硅片上制成每个敏感元件，并将其连接成平行板电容装置。它具有零频响应，稳定的阻尼特性，极宽的频率响应，在极高的加速度过载条件下仍坚固耐用。内部电路提供低阻抗的不随温度变化的输出信号。它适用于弹道监测，飞机/车辆结构评价，颤振试验，汽车支撑，刹车系统试验和其它的低频高精度测量之处，具有独到的优越性能。

二、各种加速度传感器的性能特性

压电式加速度传感器

①自发电式传感器，输出电荷与所感受的加速度成正比

②频率响应宽，动态范围大

③尺寸小，重量轻，易于安装

④精确度高，稳定性好，寿命长

⑤具有极宽的工作温度范围和极高的信噪比

集成电路式压电加速度传感器

①低阻抗电压输出，输出信号大

②对各种环境因素的影响不敏感

③对电缆和接头带来的干扰不敏感

④用双线电缆双向传输，可同时供电和传输信号

⑤可使用长电缆远距离传输信号

⑥结构简单，造价低

⑦适合于工程现场的需要

压阻式加速度传感器

①需要外加电源提供所需激励电压或电流

②能测量频率低到零的信号，而不会产生相位失真

③输出阻抗低，输出电平高，内在噪声低，易于适调

④对电磁和静电干扰不敏感

⑤对基座应变和热瞬变不敏感

⑥受大冲击加速度作用时没有零点漂移

⑦可用翻转法或并联法进行校准

变电容式加速度传感器

①具有零频响应，可用于测量稳态加速度，低频低g值下的振动，也可用于测量持续时间长的冲击运动

②灵敏度高，抗环境振动和冲击的能力强

③对温度不敏感，稳定性好，线性度高

④尺寸小，重量轻，结构牢固

⑤采用气体阻尼，内装过量程限止器

三、工作特性

压电式加速度传感器

为了得到高度真实的试验数据，使用者应当全面地了解所用仪器的工作特性，这些特性是怎样互相影响的，整个环境对这些特性是如何影响的，以及加速度传感器对被测运动是如何影响的。

加速度传感器是关键的测量元件，有多种设计型式供选用。每种设计型式都为某些特定用处设计的，目的是为获得高保真的测量数据。

工程师们应认真地分析测量的要求，选用最合适的加速度传感器，通常要在灵敏度，重量和频响范围三者之间比较，做出最合适的选择。

传感器主要工作特性分为有效响应与乱真响应两类。

●有效响应 effective response

在传感器灵敏轴方向上，由输入的机械振动或冲击所引起的传感器的响应。这种响应是正确使用传感器进行测量，取得可靠数据所期望的。

有效响应主要有： 灵敏度； 幅频响应和相频响应； 非线性度。

●乱真响应 spurious response

在使用传感器测量机械振动或冲击时，由同时存在的其他物理因素所引起的传感器的响应。这种响应是干扰正确测量的，是不期望的。 （见国家标准 GB/T 13823.1-93）

乱真响应主要有： 温度响应； 瞬变温度灵敏度； 横向灵敏度； 旋转运动灵敏度； 基座应变灵敏度； 磁灵敏度；

安装力矩灵敏度； 对特殊环境的响应。 （见国家标准 GB/T 13823.1-93）

●灵敏度：（Sensitivity）

指定的输出量与指定的输入量之比。

●参考灵敏度：（Reference Sensitivity）

在给定的参考频率和参考幅值下传感器的灵敏度值。

传感器灵敏度越高，测量系统的信噪比就越大，系统就不易受静电干扰或电磁场的影响。对某种具体的加速度传感器设计型式来说，灵敏度越高，则传感器越重，共振频率也越低。因此选用多大灵敏度受其重量和频率响应的制约。

一般情况下，传感器的灵敏度包括幅值与相位两个信息，是随频率变化的复数量。

●幅频响应和相频响应

在输入的机械振动量值不变的情况下，传感器输出电量的幅值随振动频率的变化，称为幅频响应。而输出电量的相位随振动频率的变化，称为相频响应。

在工作频段内连续地改变振动频率，且维持输入的机械振动量幅值不变，同时观测传感器的输出，便可测定幅频响应。若同时测量传感器输出电量与输入机械振动量间的相位差，则又可测定相频响应。 一般情况下，只要求知道幅频响应。在接近传感器上、下限频率处使用传感器，或有要求时，则必须知道相频响应。

●非线性度

在给定的频率和幅值范围内，输出量与输入量成正比，称为线性变化。实际传感器的校准结果与线性变化偏离的程度，称为该传感器的非线性度。

在由最小值到最大值的传感器动态范围内，逐渐增大输入的机械振动量，同时测量传感器输出幅值的变化，便可测定传感器的输出值与线性输出值的偏差量。在使用正弦振动发生器进行测定时，可在传感器的工作频率范围内选定几个频率进行，以覆盖传感器整个动态范围。

一般在传感器动态范围的上限附近传感器的输出值与线性值的偏差量最大。所允许的偏差量取决于具体测量的要求。

对压电加速度传感器，一般用在一定的加速度范围内，其灵敏度增加的百分数来表示非线性度。压阻式，变电容式加速度传感器在其动态范围内线性度较好，它代表了非线性、滞后和非重复性的综合值。

●质量负载的影响

如果加速度传感器的动态质量接近被测结构物的动态质量，则会使振动产生明显的衰减。为此在诸如印刷电路板等又薄又轻的片状构件上测振时，为了得到准确的数据必须采用重量轻的加速度传感器。如果被测物件呈现单自由度的响应，则加速度传感器将使其共振频率下降。在所有的模态试验中必须使用微型加速度传感器。

●低频响应

使用压电加速度传感器时，所用放大器低频截止频率多为2－5Hz，目的是以此来剔除许多压电传感器的热释电输出。像隔离剪切式设计等隔离性好的设计型式可用在较低的频率。压阻式和变电容式加速度传感器则具有零频响应。光电测加速度原理。

●高频响应

加速度传感器的高频响应随加速度传感器的机械性能和安装方法而变。在安装牢固时，大多数加

速度传感器呈现无阻尼单自由度系统的频响特性。以±5％为要求的话，其频率响应约平整到安装共振频率的五分之一。如果加适当的修正因数，则可在更高的频率上得到有用的数据。

●温度响应

传感器灵敏度随温度的变化，称为传感器的温度响应。用测试温度下的灵敏度与室温下的灵敏度之差相对于室温灵敏度的百分数来表示。

常用压电加速度传感器的温度范围为零度以下至＋177°C 或 ＋260°C。某些特定型号，低温可达绝对零度，高温可达760°C。很多种压电加速度传感器设计型式在很宽的温度范围内的温度响应很平。压阻式、变电容式加速度传感器的典型温度范围为－18°C～＋93°C。

●压电传感器的瞬变温度灵敏度

具有热释电效应的传感器在瞬变温度作用下将产生电输出，该输出的最大值与传感器灵敏度和温度改变量乘积的比值称为瞬变温度灵敏度。

在温度产生变化时，压电元件会产生输出信号，这称之为热释电效应。试件或气流温度的突变会引起这种温度变化。大多数情况下这种效应是很低频的，只有信号适调仪的响应在1赫以下，才能检测到。如果信号适调仪有级间高通滤波器，则应特别注意，热释电信号可能会使放大器饱和，使它短时间不工作。

基座隔离式，剪切式，隔离剪切式设计的热释电效应较小。压阻式，变电容式的这种效应是可以忽略的。

●横向灵敏度

对于单向测量来说，要求加速度传感器不得对被测物体的横向运动产生任何响应是十分必要的。但加速度传感器不可能是完美无缺的，总是有一定的横向灵敏度，它与横向振动的方向有关，其横向灵敏度一般为轴向灵敏度的1～5％。endevco对每个加速度传感器进行横向灵敏度校准并给出其最大值。 ●横向灵敏度比

在与传感器灵敏轴垂直的方向上受到激励时传感器的灵敏度，称为横向灵敏度。横向灵敏度与沿灵敏轴方向上的灵敏度之比，称为横向灵敏度比。

●旋转运动灵敏度

某些直线振动传感器对旋转运动是敏感的。在进行试验时必须小心。以免造成测量误差。 ●基座应变灵敏度

在传感器基座产生应变时会引起不应有的信号输出，该输出值与传感器灵敏度和应变值乘积的比值，称为基座应变灵敏度。

在某些试验中，加速度传感器安装处可能会存在动态弯曲、扭转、拉伸等。由于与应变区紧密接触，加速度传感器底座也会发生应变。部分应变会传给敏感元件，从而产生与振动运动无关的输出信号。 剪切式设计的加速度传感器要比压缩式的对基座应变的敏感程度小一个数量级。应用绝缘安装螺钉或粘贴式转接件可以减小这种影响。

●磁灵敏度

传感器被置于磁场中会产生的不应有的信号输出，该输出值与传感器灵敏度和磁场的磁感应强度乘积的比值，称为传感器的磁灵敏度。

●安装力矩灵敏度

采用螺纹安装的传感器，安装力矩的变化会引起灵敏度发生变化。施加1/2倍规定安装力矩或施加2倍规定安装力矩时的灵敏度与施加规定安装力矩时的灵敏度之最大差值，相对于施加规定安装力矩时灵敏度的比值的百分数，称为安装力矩灵敏度。

●特殊环境的响应

在强静电场、交变磁场、射频场、声场、电缆影响、核辐射等的特殊环境下，某些传感器会受到

光电测加速度原理

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