采用MEMS加速度計(jì)的設(shè)計(jì)方案有哪些？

硅微加速度傳感器是MEMS器件中的一個重要分支，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。由于硅微加速度傳感器具有響應(yīng)快、靈敏度高、精度高、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，而且 該種傳感器在強(qiáng)輻射作用下能正常工作，使其近年來發(fā)展迅速。Mems的加速度計(jì)分為六大類：電容式加速度計(jì);壓阻式加速度計(jì);壓電式加速度計(jì);諧振式加速度計(jì);隧穿式加速度計(jì);熱對流式加速度計(jì)。

壓阻式加速度傳感器是最早開發(fā)的硅微加速度傳感器，彈性元件的結(jié)構(gòu)形式一般均采用微機(jī)械加工技術(shù)形成硅梁外加質(zhì)量塊的形式，利用壓阻效應(yīng)來檢測加速度。在 雙端固支梁結(jié)構(gòu)中，質(zhì)量塊像活塞一樣上下運(yùn)動。壓阻式加速度傳感器體積小、頻率范圍寬、測量加速度的范圍寬，直接輸出電壓信號，不需要復(fù)雜的電路接口，大批量生產(chǎn)時價格低廉，可重復(fù)生產(chǎn)性好，可直接測 量連續(xù)的加速度和穩(wěn)態(tài)加速度，但對溫度的漂移較大，對安裝和其它應(yīng)力也較敏感，它不具備某些低gn值測量時所需的準(zhǔn)確度。

壓電加速度計(jì)屬發(fā)電型傳感器，可把它看成電壓源或電荷源，故靈敏度有電壓靈敏度和 電荷靈敏度兩種表示方法。前者是加速度計(jì)輸出電壓(mV)與所承受加速度之比;后者是加速度計(jì)輸出電荷與所承受加速度之比。 加速度單位為m/s^2，但在振動測量中往往用標(biāo)準(zhǔn)重力加速度g作單位，1g= 9.80665m/s^2。這是一種已為大家所接受的表示方式，幾乎所有 測振儀器都用g作為加速度單位并在儀器的板面上和說明書中標(biāo)出。

對給定的壓電材料而言，靈敏度隨質(zhì)量塊的增大或壓電元件的增多而增大。一般來說，加速度計(jì)尺寸越大 ，其固有頻率越低。因此選用加速度計(jì)時應(yīng)當(dāng)權(quán)衡靈敏度和結(jié)構(gòu)尺寸、附加質(zhì)量的影響和頻率響應(yīng)特性之間的利弊。

壓電晶體加速度計(jì)的橫向靈敏度表示它對橫向(垂直于加速度計(jì)軸線)振動的敏感程度，橫向靈敏度常以主靈敏度(即加速度計(jì)的電壓靈敏度或電荷靈敏度)的百分比表示。一般在殼體上用小紅點(diǎn)標(biāo)出最小橫向靈敏度方向，一個優(yōu)良的加速度計(jì)的橫向靈敏度應(yīng)小于主靈敏度的3%。因此，壓電式加速度計(jì)在測試時具有明顯的方向性。

壓電元件受力后產(chǎn)生的電荷量極其微弱，這電荷使壓電元件邊界和接在邊界上的導(dǎo)體充電 到電壓U=q/Ca(這里Ca是加速度計(jì)的內(nèi)電容)。要測定這樣微弱的電荷(或電壓)的關(guān)鍵是防止導(dǎo)線、測量電路和加速度計(jì)本身的電荷泄漏。換句話講，壓電加速度計(jì)所用的前置放大器應(yīng)具有極高的輸 入阻抗，把泄漏減少到測量準(zhǔn)確度所要求的限度以內(nèi)。

石英諧振加速度計(jì)沒有模數(shù)轉(zhuǎn)換帶來的速度增量誤差，并能與高速數(shù)字導(dǎo)航系統(tǒng)兼容，精度高、成本低、體積小、發(fā)展?jié)摿Υ?，因此在中高精度領(lǐng)域諸如重力測量學(xué)、巡航導(dǎo)彈、自主水下導(dǎo)航、石油鉆井等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。石英諧振加速度計(jì)中的諧振器采用雙端固定音又結(jié)構(gòu).此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：2個音又臂在其合并處所產(chǎn)生的應(yīng)力和力矩相互抵消，從而使整個諧振器在振動時具有自隔振的特性，對周圍的結(jié)構(gòu)無明顯的反作用力，諧振器的能耗可忽略不計(jì)。為了使有限的質(zhì)量塊產(chǎn)生較大的軸向慣性力，合理地選擇機(jī)械結(jié)構(gòu)可以對慣性力放大幾十倍。

隧穿式加速度計(jì)是基于洛倫茲力和霍爾效應(yīng)的加速度計(jì)，當(dāng)傳感器安裝在被測物體上時，感應(yīng)線圈會收到物體的加速作用，從而使導(dǎo)線中的電流發(fā)生變化，這個變化的電流會產(chǎn)生一個變化的磁場，并做用于感應(yīng)線圈上的一個霍爾元件。霍爾元件會根據(jù)洛倫茲力的左右產(chǎn)生一個電勢差，即霍爾電壓，通過測量這個霍爾電壓的大小，我們就可以得到物體的加速度信息。

熱對流式加速度傳感器，是由封閉的單晶硅腔體、加熱器和一對對稱的溫度傳感器組成。加熱器(加熱元件)和溫度傳感器(熱敏元件)懸于硅腔體上方。當(dāng)敏感方向無加速度時，腔體內(nèi)的加熱氣體只在重力加速度的作用下發(fā)生對流，加熱器水平兩邊相等位置上的溫度傳感器溫度相等，無溫度差，輸出為零;敏感方向有加速度時，腔體內(nèi)的氣體在重力加速度和外來加速度的聯(lián)合作用下產(chǎn)生對流，此時兩個溫度傳感器出現(xiàn)溫度差，輸出產(chǎn)生差異，再經(jīng)惠斯通電橋轉(zhuǎn)換為電壓差輸出。