1、微机械加速度计发展及其在制导武器中的应用摘 要：本文分析了压电式、电容式、隧道式几种典型微机械加速度计的基本结构和工作原理，并简单阐述了微机械加速度计的现状发展及在制导武器中的应用现状和前景。 关键词： 微加速度计；压电式微加速度计；电容式微加速度计；隧道式微加速度计；微机械惯性导航系统（MIMU） 随着微机电系统设计和工艺技术的发展，微加速度计设计和制造能力越趋成熟，微加速度计设计和开发成为全球微机电产品的重点项目。相比传统机电加速度计，微加速度计具有小体积、轻重量、低功耗、低成本、高可靠性等优点，因而得以成功地应用在航空航天、兵器战车等军工领域，以及工业自动化控制、汽车工业等民用领域。常见
2、的微加速度计按不同的测量原理可以分为：压阻式、压电式、电容式、隧道效应式及热敏式等。按工艺方法又可分为体硅工艺型和表面工艺型微加速度计。 常用的微加速度计主要由质量块和支撑弹性梁两部分组成，具体见图 1。当有沿敏感轴方向的加速度输入时，质量块受到惯性力作用产生的位移与该加速度的大小存在对应关系，可近似等效成一个二阶阻尼系统，表示为： （1） 1 几种典型的微机械加速度计工作原理和特点 1.1 压阻式微加速度计 压阻式微加速度计由硅材料制成的悬臂梁和质量块及分布在梁上的压阻组成。悬臂梁发生形变时， 因为变形量最大处位于其固定端一侧，该侧布有压阻薄膜材料（如图 2 所示） 。当加速度输入，悬臂梁随
3、质量块惯性力的牵引而产生形变，梁上分布的压阻薄膜也随之变形，产生压阻效应导致电阻值被改变，根据测量压阻两端电压值的变化量，推算出输入加速度与检测电压值之间的关系。 压阻式微加速度计相比其它类型微加速度计出现较早，优点为： 结构及芯片的制造简单，电阻检测电路简单易实现。其缺点为：温度系数较大，相比其它原理微加速度计，其灵敏度比较低，迟滞效应也比较明显。 1.2 电容式微加速度计 电容式微加速度计的测量单元通常被设计成图 3、图 4 所示的梳齿结构。其测量单元是由三部分组成：活动部件 A、B 和固定电极。其中， A和 B 活动部分由超静定梁、质量块以及与质量块相连的活动电极组成，固定电极由固定电极
4、 a 和固定电极 b 组成。活动电极的上半部分和固定电极 a 形成电容 Ca，活动电极的下半部分和固定电极 b 形成电容 Cb。当有加速度 ai 输入时，惯性力导致活动极板产生偏角 ，电容 Ca 增加， 电容 Cb 减小， Ca、Cb 的电容量经过电路转换成一个电信号，经相位敏感放大后的输出电压反馈到电容静电力矩器，惯性力矩被电容力矩器产生的静电力矩平衡， 加速度计工作中活动质量始终处于平衡位置，回路中反馈电压的符号和大小代表了输入加速度的方向和大小。 当系统处于平衡时，惯性力与反馈力平衡，得到 ma=Ffb。如认为此时上下电容间隙相等，则静电反馈力为： 上式中，k 为常值，代表加速度与反馈电
5、压比值， 输入加速度的大小可被传感器输出线性地表征出来。 电容式微加速度计的阈值小，分辨率高，输出噪声小，稳定性好，温度漂移小，功耗极低，在冲击过载下可靠性较强，可利用静电力实现反馈闭环控制从而显著提高传感器的性能。 1.3 隧道式微加速度计 隧道效应是一个平板电极和隧道尖端电极距离达到一定的条件，可以产生的隧道电流。隧道电流和针尖与下电极之间的距离关系最早由J.G.Simmons 推导，描述为： （4） 式中，vtun 为施加在电极两端的电压； 为有效势垒高度；x 为电极间隙； 为常数。 从式（4）中看出，隧道电流与电极间隙 x 呈负指数关系。 隧道微加速度计中的惯性质量多用悬臂梁或双端固支
6、梁的支承形式，当加速度输入时，隧道电流随惯性质量位移的变化而变化，故可通过检测隧道电流变化量来间接测量输入加速度值。隧道微加速度计的典型结构示意图如图 5 所示。 隧道式微加速度计具有极高的分辨率及极小的阈值，并且温漂小，线性度好，抗干扰能力强，可靠性高，但其制造工艺性差，工程化较难实现。 2 微机械加速度计的现状及发展趋势 加速度传感器是重要的力学量传感器之一，也是微机械技术领域最早研究的传感器，早在上世纪 60 年代末、70 年代初已开始研究和开发，70 年代末开始采用硅微机械加工工艺生产微硅加速度传感器，这一时期以美国斯坦福大学、美国加州大学伯克利分校和 Draper 实验室为代表。进入
7、 80 年代后期，为扩宽量程和提高加速度计的线性度，力平衡式微硅加速度计成为重点研究对象，1989 年，AD 公司叉指力平衡加速度计（ADXL50）研制成功并生产，该加速度计量程为50g，标度因数为20mV/g；在 20 世纪 90 年代，人们开始研究设计结构尺寸更小的扭摆的微硅加速度传感器，因为在梁的设计上扭摆式比悬臂梁、简支梁在结构尺寸能够小很多，另外扭摆式结构使质量块运动位移缩短，阻尼对性能的影响得到降低。1990 年，CSDL 研制出 4 种不同量程：100000g、100g、10g、2g 的扭摆式力平衡微硅加速度计，高动态范围的为军用炮弹所需，低动态范围的为民用；同一时间， LIGA
8、 等先进工艺技术在微机械加速度计上得到应用，具有代表性的是 1993 年德国 kalsruhe微结构技术研究研制的一种高精度加速度计，量程为1g，标度因数为2.7V/g。 中国 MEMS 惯性技术的研究始于 20 世纪 90 年代初，经过 10 多年的发展，MEMS 惯性技术方面已具备一定的基础和技术储备，多种方案的硅微加速度计被研制出来。现阶段，国内硅微加速度计零偏稳定性处于510-3g，产品在性能和工程化水平上都与国外存在一定的差距，具体表现如下： 1）在传感器设计理论研究上与国外差距较大； 2）MEMS 工艺条件和国外相比存在较大的差距； 3）信号检测设计电路及集成化水平和国外相比存在较
9、大的差距； 4）工程化水平和国外相比存在较大的差距。 随着不同设计方案和采用不同工艺的微硅加速度传感器的研究，不同测量原理、不同结构形式、不同适用环境的微硅加速度计层出不穷。根据自身对国内外微机械加速度计研究动态的了解情况，总结未来微机械加速度计的发展趋势如下： 1）高分辨率和大量程的微机械加速度计成为研究重点； 2）多轴加速度计的开发成为新的方向； 3）随着信息网络化的发展，数字化输出、可通讯也逐步成为发展方向； 4）温漂小、迟滞误差小成为新的性能研究目标； 5）在单片基体上实现表头和处理电路的高度集成，降低功耗和噪声；6）研究合理的工艺手段和材料，降低制造成本，实现大规模批量化生产； 7）
10、提高微机械加速度计的可靠性研究。 3 微机械加速度计在制导武器中的应用现状及前景 微机械加速度计目前在制导武器中主要是微机械惯性导航系统（MIMU） ，常用的微机械加速度计类型为电容式微机械加速度计，美国Litton SiACTM 硅加速度计和德国 Litef 公司生产的 B-290 硅加速度计为其典型的代表，两种加速度计的指标及应用情况见表 1。 Litton SiACTM 采用全硅结构，体积小，质量轻，功耗低。B-290 硅加速度计，摆片采用 4 次双面掩膜，面积为 6mm6mm，在 KOH 溶液中控制硅片刻蚀时间，电路采用脉冲调宽、数字输出、闭环控制方案。 迄今为止，战术级惯性测量装置系
11、统已经使用了石英挠性加速度计、悬丝支承摆式加速度计等所有的机电加速度计。尽管它们的性能指标是满足要求的，抗冲击能力能达到 10000g，但仍然不能承受超高速射弹动辄几万个 g 的加速度，且体积和成本没有充分降低。硅微加速度计的出现使研制更加小型、轻质、快速、低价格的战术级惯性测量装置成为可能。使用 3 个硅微加速度计与 3 个微型光学陀螺仪可构成更加先进的微型惯性测量装置，该 MIMU 的惯性器件采用平面集成器件，与传统的大型零件组装的陀螺仪和加速度计不同，它将比 1（）/h 级的惯性测量装置便宜、小型、轻质。微机械陀螺和微机械加速度计的设计理念由集成电路技术拓展而来，低成本、批量化成为必然，
12、国外一套 MIMU 产品的价格在 5000 美元左右。根据国外微机械 IMU 发展技术和速度来看，未来随着微机电技术的成熟，最小的 IMU 质量可以做到 70g 以内。抗高过载 2万 g 以上的 MEMS 惯性导航系统，已应用于美军 JDAM、海 76 制导炮弹、神剑制导炮弹。 整个灵巧武器领域都需要便宜、小型的陀螺仪和加速度计。根据资料显示，美国已全面开展通用制导武器传感器的研制计划，微机械陀螺和微机械加速度计指标见表 2。 战术级武器不需要太高性能的惯性器件，但需要低成本、小体积和高可靠性的惯性器件，而基于集成电路微加工技术研制生产的微机械惯性器件优势正体现在上述方面。可以认为，目前出现的
13、微机械陀螺和微机械加速度计是新一代惯性器件的代表，必将主宰惯性控制战术弹和火箭领域。 4 结束语 微机械加速度计的潜在市场是非常巨大的，比起军用市场外，民用市场，例如汽车产业、工业自动化产业、机器人产业和医疗器械行业应用前景更加广阔。 但是，我们也应该注意到，微机械加速度计毕竟是一项采用新技术的产品，虽然目前已在一些灵巧型制导武器中得到应用，它要在未来的航空航天等军用领域大量使用， 特别是在辐射、低温低气压、零重力、强振动冲击下如何确保性能和可靠工作等还有许多的技术问题需要解决验证，需要在设计原理和加工工艺上逐步进行试验验证和改进。回顾惯性技术发展历程，MEMS 技术在航天和航空领域的成熟应用至少需要两个回合的设计、生产、验证。 参考文献： 1 张睿.微机械加速度计的应用和发展趋势J.东莞理工学院学报，2007，14（1）：127130. 2 董景新.微惯性仪表微机械加速度计M.北京：清华大学出版社，2003. 3 李圣怡，刘宗林，吴学忠.微加速度计研究的进展J.国防科技大学学报，2004，26（6）：3437.
