隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展,慣性傳感器件在過去的幾年中成為最成功,應(yīng)用最廣泛的微機(jī)電系統(tǒng)器件之一,而微加速度計(jì)(microaccelerometer)是慣性傳感器件的杰出代表。微加速度計(jì)的理論基礎(chǔ)是牛頓第二定律,根據(jù)基本的物理原理,在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部,速度是無法測量的,但卻可以測量其加速度。如果初速度已知,就可以通過積分計(jì)算出線速度,進(jìn)而可以計(jì)算出直線位移。結(jié)合陀螺儀(用來測角速度),構(gòu)成微型慣性測量單元(MIMU),就可以對物體進(jìn)行精確定位。根據(jù)這一原理,人們很早就利用加速度計(jì)和陀螺進(jìn)行輪船,飛機(jī)和航天器的導(dǎo)航,近年來,人們又把這項(xiàng)技術(shù)用于汽車的自動駕駛和導(dǎo)彈的制導(dǎo)。汽車工業(yè)的迅速發(fā)展又給加速度計(jì)找到了新的應(yīng)用領(lǐng)域,汽車的防撞氣囊(Air Bag)就是利用加速度計(jì)來控制的。
硅微加速度計(jì)的類型較多,按檢測質(zhì)量的運(yùn)動方式來分,有角振動式和線振動式加速度計(jì);按檢測質(zhì)量支承方式來分,有扭擺式、懸臂梁式和彈簧支承方式;按信號檢測方式來分,有電容式、電阻式和隧道電流式;按控制方式來分,有開環(huán)和閉環(huán)式之分。
開環(huán)加速度計(jì)的測量系統(tǒng)是開環(huán)的(或稱為開口的)。加速度值經(jīng)過敏感元件、信號器、放大器變成電信號直接輸出。對應(yīng)于每一個(gè)被測量的加速度值,開環(huán)加速度計(jì)便有一個(gè)輸出值與之對應(yīng)。為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需要,開環(huán)加速度計(jì)必須精確地予以校準(zhǔn),并且在工作過程中,保持這種校準(zhǔn)值不發(fā)生變化,開環(huán)加速度計(jì)的抗干擾能力較差,在出現(xiàn)擾動(外界干擾)時(shí)就會對測量精度有較大的影響,一般來說,精度也較低,開環(huán)加速度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單、容易維護(hù),成本較低。
閉環(huán)加速度計(jì)又稱力平衡加速度計(jì)、力反饋加速度計(jì)、帶有補(bǔ)償系統(tǒng)的加速度計(jì),或伺服加速度計(jì)。這類加速度計(jì)的測量系統(tǒng)是閉口的,被測加速度經(jīng)敏感元件、信號器、放大器等變成電信號,加給對檢測質(zhì)量有控制作用的力(或力矩)發(fā)生器。也就是說,采用了反饋,把輸出量與輸入量進(jìn)行比較,構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)加速度計(jì)的抗干擾能力較強(qiáng),測量精度較高,又由于有反饋?zhàn)饔?,使檢測質(zhì)量始終工作在零位附近,從而可以擴(kuò)大量程。在慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)中,廣泛采用閉環(huán)加速度計(jì)。
而如今,微加速度傳感器廣泛應(yīng)用叉指結(jié)構(gòu),叉指結(jié)構(gòu)式微加速度傳感器具有靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)相對簡單、功耗比較小、直流特性好等特點(diǎn),但是容易受到電磁干擾。該類型的加速度計(jì)可以通過叉指結(jié)構(gòu)增加檢測電容,而且可以制作反饋結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,利于精度的提高。此外,此類型微加速度計(jì)的制作方法基本上與大規(guī)模集成電路的工藝技術(shù)相互兼容。綜上述的特點(diǎn),叉指式微加速度計(jì)具有很高的研究價(jià)值。
作為最成熟的慣性傳感器應(yīng)用,現(xiàn)在的MEMS加速度計(jì)有非常高的集成度,即傳感系統(tǒng)與接口線路集成在一個(gè)芯片上。