摘 要 线加速度计是惯性测量和导航系统的主要惯性元件之一。当前,传统的力再平衡摆式加速度计占据加速度计的主要市场。对加速度计输出数字化的迫切要求,推动了石英振梁式加速度计的发展。随着微电子加工技术向惯性技术的渗透,微硅加速度计已崭露头角并受到广泛的关注。
1 概述
加速度计是惯性测量和导航系统的主要惯性元件之一,它的输出与运载体的运动加速度成比例。其作用原理是基于牛顿的经典力学定律。加速度计测量出运载体的线加速度,经一次积分可获得运动速度,经两次积分便获得位置数据。因此,在惯性测量和导航系统中,对加速度计的精度指标要求相当高,通常要求加速度计的灵敏度达10-5m/s2,各种性能系数的稳定性为10-5。
2 线加速度计的种类[1]
测量加速度的方法很多,对应每种测量方法可以制造出几种不同形式的加速度计。种类繁多的加速度计有各种分类方法,按检测质量的运动方式可分为线位移加速度计和摆式加速度计,前者是测量检测质量沿导轨方向的直线位移量,后者是测量检测质量绕支承摆动而产生的角位移量。按测量系统形式分,有开环式和闭环式两类。开环式加速度计又称为简单加速度计,被测的加速度值经敏感元件、信号传感器、放大器变成电信号直接输出。这种加速度计构造简单、体积小、成本低、但精度较低。闭环式加速度计又称为力平衡式加速度计(又称力反馈加速度计或伺服加速度计),被测的加速度变成电信号后,加到力矩器上,使活动机构恢复平衡位置。由于采用了力反馈回路,该加速度计精度高,抗干扰能力强。按输出信号分,有加速度计、积分加速度计和双重积分加速度计,分别提供加速度、速度和距离信息。按测量的自由度分,有单轴、双轴、三轴加速度计。按测量加速度的原理分,有压电、振弦、振梁、光学和摆式加速度计。按支承方式分,有液浮、挠性和静电加速度计。按精度等级可分为高精度(优于10-4m/s2)加速度计、中等精度(10-2m/s～10-3m/s)加速度计和低精度(低于0.1 m/s2)加速度计三类。由于加工方法的革新,出现了新一类加速度计——微机械加速度计。上述加速度计各有特点,可根据不同的需要选用不同的类型。
目前,力平衡式加速度计占据了加速度计的主要市场,这不仅是因为它体积较小、结构简单、牢固可靠,还因为可以通过不同设计以满足不同性能和应用的要求。力平衡加速度计可以按照捷联式或框架式两种模式工作,输出可以数字化。美国贝尔实验室、利顿公司、基尔福特公司、森德斯坦公司等均生产力平衡线加速度计。
最精确的力平衡加速度计是脉冲积分摆式加速度计(PIPA),它是一种悬浮单自由度且基本无约束力的器件,采用数字方法控制扭矩产生脉冲保持摆处于零位。PIPA现在用于潜艇发射的战略导弹,其精度受非线性误差的限制。
现在性能最好的加速度计是摆式积分陀螺加速度计(PIGA),用于战略导弹制导。PI-GA是一种非常稳定的线性器件,在宽的动态范围内有很高的分辨率,并且是迄今为止唯一能够满足战略导弹推进轴要求的加速度计。美国霍尼威尔公司、利顿公司,法国Sagem公司和俄罗斯均生产PIGA。
开环变电容式加速度计,振梁式石英加速度计目前也得到越来越多的应用。发展中的微硅加速度计正逐渐展示出自身的优势。
3 振梁式石英线加速度计[2]
振梁式石英线加速度计(VBA或VQA)正在迅速成为导航领域的主导产品,它经历了较长的发展阶段,已开始大批量生产。由于其响应带宽大,可与数字信号处理系统兼容,在许多应用领域可以取代常规的线加速度计。振梁式石英线加速度计的研制生产单位主要有:美国基尔福特公司、BEI电子公司。国内电子部第二十六所最早从事这种加速度计的研制开发。
3.1 石英振梁式线加速度计的历史背景
在惯性导航系统中,数字信号处理已成为通用要求。然而大多数加速度计仍然是模拟器件,其输出信号是正比于加速度的电流或电压,因而用于惯性导航系统时必须进行数字化处理。数字化处理可以采用模-数转换器,电压-频率转换器,电流数字读出器及环路脉冲数字化。数字化过程往往是一个主要的误差源,而且都要求有一个模拟参考电压或电流源,其精度必须等于或高于加速度计的精度。可见,系统数字信号处理的要求成为开发频率输出线加速度计的主要动力之一。
频率输出线加速度计的发展经历了一个很长的过程。回顾历史,伽俐略在1638年发表的论文中阐述了下落物体在重力场中运动的规律,他得出结论:“在完全无阻力的介质中,所有物体以相同速度下落”。根据这一理论可知,下落物体的速度与时间成正比。进一步的推导表明,下落物体的垂直位移与时间的平方成正比。试验中最精确的时间测量仪是钟表。后来,伽俐略发现,使用摆来测量时间的优越性,正是在他的建议下,物理学家们后来都采用可变长度的单摆作为计时器。1657年,Christian Huygen发明了用于摆钟的高可靠摆轮。事实上,它就是第一个连续频率输出的加速度计。
1817年,英国海军上校Henry Kate发明了一种回行摆,在当时它可用于最精确地测量地球重力的绝对值。这种测量地球绝对重力的方法一直沿用到大约20年以前,最终被先进的自由落体方法所取代。1896年,R.Von Eotvos发明了一种便携式平衡型摆,可测量重力加速度的极小偏差。直到20世纪,Eotvos平衡摆仍用于石油和矿业开采中。
在图1的单摆中,设L为摆线长度,fn为摆的谐振频率,a为输入加速度,则有
摆的频率和加速度的关系呈高度非线性和单向性。然而,早期摆钟的精度很高,相当于2×10-4m/s2的加速度。这主要因为摆有很高的Q值,摆轮的作用仅在于补偿摩擦损耗所需要的能量。纵使Christian已用摆钟作为加速度计,但仍然存在需寻找可比较的时间基准问题。
第一个频率输出加速度计是振弦式加速度计,发明于1928年。振弦加速度计利用两端固定的物理弦如铍弦的横振动自然频率。该弦需要预拉伸以确定零加速度计输入时无载谐振频率f0。这样就可以既测量正的加速度,又测量负的加速度。弦的振动用横向磁场的电磁力产生。
振弦式加速度计如图2所示。设m为弦的质量;L为弦长度;T0为弦预加载张力;fn为弦固有频率;M为悬挂质量块;则有
在持续张力作用下,弦的可塑性会产生张力
偏差,从而出现频率漂移误差。加速度-频率函数的固有非线性也产生迟滞和非线性误差,最好的解决办法是采用推挽工作状态的两根振弦,在给定加速度的作用下,检测质量对一弦施加张力载荷,而对另一弦施加压力载荷。这种双谐振器结构的巧妙之处在于把两根弦/质量系统连接到同一拉伸伺服机构中,从而保持两弦频率之差为常数。这样,使频率漂移得到补偿,使加速度和频率成线性关系。按这种方法设计的加速度计已用作阿特拉斯导弹的速度控制加速度计。这类加速度计的精度很高,优于10-7m/s2。但振弦加速度计的体积很大,结构复杂,质量约束系统的不完善也会产生不希望的误差。因此,重点已转向振梁式加速度计。
3.2 石英振梁加速度计的两种设计方法
3.2.1 单梁加速度计
附加安装隔离系统的单梁石英谐振器已做成了实用的精密加速度计。
VBA的主要优点在于,在测量正、负加速度时不需要预载张力,厚度长度比相当高的梁有一个空载谐振频率f0,如图3所示。f0随张力而增加,随压力而减小,频率的变化与所加载荷的关系服从特定的函数关系。设梁的悬挂质量为M,输入加速度为a,欧拉弯曲
载荷为C,加载后的谐振频率为fn,则由
式中 K为梁刚度;m为梁等效质量。
VBA和振弦加速度计具有非常相似的加速度-频率函数关系,本身都是非线性的。振梁加速度计的线性或非线性特性完全取决于对弹性特性的高稳定控制。使用近乎理想的弹性材料如石英或硅,可使振梁加速度计的稳定性等于或优于闭环加速度计。
为产生高Q的谐振并避免工作频率范围外的干扰,单梁谐振器必须设计复杂的末端隔离系统,图4示出了具有隔离系统的谐振器。其主要优点在于安装垫能维持微小角偏差而不降低谐振Q值。缺点是隔离系统体积大及轴向刚度的合成损耗,它会降低梁的谐振频率。
3.2.2 双梁加速度计
对振梁加速度计的研究,人们采用了两种完全不同的研究方向:其一为上述的末端隔离系统的研究;其二为使用两个谐振频率相同、运动方向相反的对偶梁来抵消回转加速度力。对梁的基本要求是高Q、低能量损失。
早期的双梁谐振如图5所示。双谐振梁一般指双端音叉谐振器,使用两个振动相位差为180°的对偶梁。梁的动态运动引起的剪切力和力矩在梁的末端被抵消,从梁根部算起几个梁宽的距离内应力接近于零。因此,不需要末端隔离系统,使谐振器的尺寸小,结构简单,相当容易生产。
双端音叉谐振器的进展包括设计水平的提高和加工技术的改进,提高Q值和扩大可用的频率变化范围。振梁的末端条件采用有限元分析优化设计,尽可能减小安装结构的能量损耗。这样可完全取消末端隔离系统,使晶体的刚度最大,因而其带宽与闭环加速度计相当。同时体积减小,成本大大降低。图6是一个典型的双梁加速度计。
3.3 振梁式加速度计的组成部分
VBA可使用金属、陶瓷、石英、硅等材料。石英具有压电特性,便于激励和敏感,石英具有很低的内部损耗和无限的疲劳寿命,有优良的机械稳定性,刚性好、硬度大,还存在零温度系数的切型,正因为如此,石英成为振梁式加速度计的首选材料。
VBA的基本组成包括一对匹配的振梁式石英晶体谐振器,具有支撑挠性约束系统的质量块、温度传感器、晶体振荡器电路和密封外壳。其元件相当少,具有很高的可靠性。图7示出了一种实际的石英振梁加速度计结构。
3.4 振梁式加速度计的特点及性能
与模拟伺服力平衡加速度计相比,振梁式加速度计具有特别不同的性能特征。VBA的标度因数稳定性和轴向定位特别好,这是使用谐振力换能器的直接结果。标度因数由石英的质量和弹性常数来确定,输入轴的定位主要取决于摆的位置,均与石英固有的性能稳定有关。相当精密的标度因数和轴向定位性能在导航仪测倾中非常有用,因为它要测量地球重力的分量。VBA还具有分辨率高(优于10-6m/s2)和测量上限高(高于1 2000m/s2)的特点。
VBA典型产品的性能如下:
输入范围 ±700 m/s2
轴向对准误差 <400μrad
综合偏值误差 <5×10-3m/s2
外形尺寸 17.02 mm×10.67 mm
标度因数稳定性 <350×10-6
未来的惯性系统要求惯性仪表高可靠、低成本、小体积及适当的性能。振梁式加速度计正好属于这一类产品。随着加工技术及集成电路的进一步发展,相信振梁式加速度计的前景将十分看好。
4 石英挠性加速度计[3,4]
随着惯性系统低成本化的发展,在60年代中期开始出现新型的非液浮的所谓干式加速度计。由于这种仪表采用挠性支承技术,结构与工艺大大简化。目前这种加速度计已广泛应用于各类现代惯性系统中。
石英挠性加速度计的结构原理如图8所示,电路和框图如图9所示。石英挠性加速度计由轭铁、磁钢、挠性摆片、力矩线圈和相应的电子电路构成。当有加速度输入时,由挠性摆片及力矩线圈组成的质量块受到惯性力或惯性力矩的作用而偏离平衡位置,这一偏离被差动电容检测器检测,经伺服放大器转换成电流信号,并被反馈到处于恒定磁场中的力矩器而产生再平衡力或再平衡力矩,使挠性摆片恢复到平衡位置。该电流信号同时作为加速度计的输出,其大小与输入加速度成正比,极性取决于输入加速度的方向。
国内生产石英挠性加速度计的单位很多。电子部第二十六研究所生产的石英挠性加速度计的典型性能如表1所示。
石英挠性加速度计具有结构简单、精度高的特点,在惯性导航系统、大地测量系统中有广泛的用途。这种加速度计主要缺点是,测量加速度超过300 m/s2,其非线性误差明显增大,同时不能承受太大的冲击振动。
5 微机械加速度计〔4～6〕
微机械加速度计是一种硅微结构的加速度计。自1977年斯坦福大学首先采用微机械加工方法制造出一种开环硅加速度计并于80年代初形成商品以来,微机械加速度计取得了很大进展。
微硅加速度计以其体积小、可靠性高、测量范围宽和适宜批量生产等特点,受到发达国家的高度重视。目前研究生产微硅加速度计的公司主要有:美国的斯坦福大学、AD公司、德雷珀实验室、利顿公司、诺思罗普(恩德福克)公司、德国LITEF公司、法国SAGEM公司、瑞士Neuchatel大学、瑞士奇石乐公司、日本日立公司/东北大学。
大多数微机械加速度计都基于电容变化的原理,它们以各种方式形成电容结构,惯性质量块将加速度作用进行放大并转换成动电容极板的位移,差动电容的变化通过检测电路,变成电信号,再经过力平衡回路的反馈,激励动电容极板始终处于平衡位置,反馈信号同时作为输出,它表征了输入加速度的大小。当然,开环加速度计没有力平衡部分,检测信号直接作为输出。
图10是基本的微机械加速度计原理图。其中用电容代表加速度计传感器结构,此外还包括振荡器、位置检测器、温度传感器及伺服电路。
5.1 夹层结构的微机械加速度计
图11、12、13是三种夹层结构的微机械加速度计,用玻璃-硅-玻璃或硅-硅-硅形成夹层结构(图11中,芯片尺寸为8.3 mm×5.5mm×1.3 mm,挠性摆片的厚度5μm,电容极板间隙7.5μm)。检测电路采用图14所示的交流电容电桥和闭环静电力平衡回路,还可以采用图15所示的自平衡开关电桥电路。其性能达到:测量范围±100 m/s2,标度因数短期稳定性50×10-6,零偏短期稳定性2.5×10-3m/s2。已于1995年和光纤陀螺(I-FOG)组合成惯性测量组合(IMU),用于车辆导航系统。
5.2 叉指式电容加速度计
图16(a)所示是叉指式电容加速度计,这种加速度计采用表面微加工的方法制成,敏感方向与基片平行,试验质量为H型。H型的4根2μm的细丝将质量固定于基片上。叉指作为电容极板交错地与中心杆及质量块相连接形成42个叉指电容,其总容量为0.1pF,叉指长120μm,宽4μm,极板间隙1.3μm。电路与加速度计结构集成在一块基片上,其原理图如图17所示。传感器的差动电容由1 MHz,600 mV载波信号经过50 pF的电容供电。同时分别通过200 kΩ的电阻供给上、下电极极化电压。直流极化电压引起的静电力比细丝的恢复力大数倍,这样可以保证动叉指处于其平衡位置。电路中的高频信号作为检测信号,低频信号用作闭环控制的静电力,二者通过高通滤波器分离。该加速度计的带宽为1 kHz,标度因数为2 mV/(m·s-2),测量范围±50 m/s2。
图16(b)是另一种叉指式微机械加速度计,采用注入氧离子分离外延薄片工艺,在硅基片上制作出电容式加速度计,其尺寸为1 550μm×1 200μm×15μm,电路也采用与图15相似的自平衡开关电容电桥。传感器和电路集成为一整体。
5.3 LIGA加速度计
图18、19、20示出了采用LIGA技术加工的高精度加速度计的结构、补偿电极和电路原理图。悬臂梁厚10μm,电容极板间隙4μm,静态电容10 pF。测量范围±10 m/s2,标度因数270 mV/m·s-2,带宽(3 dB)400Hz。LIGA工艺是X射线光刻,电陶成型后铸塑相结合的工艺,是加工微机械元件的先进技术。
6 线加速度计的发展动向
线加速度计有广泛的用途,如飞行器的制导和导航系统、各种基准台和平台的调平系统、地质探矿钻孔测斜系统、建筑物基础和路桥监测系统、车辆调平和防撞系统,可见其市场需求很大。
从当前发展情况看,存在以下几个明显的动向。
(1)力平衡摆式加速度计几乎占领了高精度加速度计的全部市场。因此,应该继续改进液浮摆、挠性摆和石英摆式加速度计的性能,以满足对高精度加速度计的需求。
(2)由于对输出数字化以及大动态范围、高分辨率的迫切要求,石英振梁式加速度计的发展非常迅速。预计未来在几微克到1mg的应用领域将有广泛的应用。
(3)微机械加速度计采用了固态电子工业开发的加工技术,能象制造集成电路那样来生产加速度计,并且可以把器件和信号处理电路集成在同一块硅片上,实现了真正意义上的机电一体化,因而使其具有成本低、可靠性高、尺寸小、质量轻和可大批量生产的优点,在军用和民用中有巨大的潜力,是加速度计发展的一个重要方向。
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本文作者：吕志清 侯正君
