- 微型加速度傳感器原理簡介
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2015/6/23
加速度傳感器是一種慣性傳感器，一般由敏感元件、交換元件、測量電路三部分組成，可用如下框圖表示：
根據傳感器敏感元件和轉換原件的不同，加速度傳感器可以分為電容式、壓電式、光纖式、壓阻式等類型。
1.電容式加速度傳感器
電容式加速度傳感器可以將振動位移參量的變化轉變成為電容量的變化，其基本敏感機理比較簡單。如圖所示，上下極板為固定電容極板具有公共電極，中間質量塊為可動電容極板。當有外界振動時可動極板跟隨振動，從而改變電容。上下電容同時改變，但是變化方向相反，稱為差動式。其特點是動態范圍較大，最大位移和最小位移之比可大，如果采用差動測量方法數值增大一倍，靈敏度高、響應時間短、穩定性好。因為結構簡單，影響穩定性的因素少、無內部和外部的各種摩擦和接觸應力誤差，對溫度變化的固有敏感性低。
電容式加速度傳感器結構示意圖
采用MEMS有關工藝制成的微加速度計，其敏感芯片的體積僅5 mill見方，和成人的小指甲蓋大小差不多，比采用精密機械加工成的加速度計小12個數量級。由于其質量小，因此能承受高沖擊，實驗測試這種原理的微加速度計在不加電狀態下X、Y、Z三個方向至少可以承受數百乃至數千g以上的沖擊。
2.壓電加速度傳感器
壓電傳感器的工作原理是基于某些晶體材料的壓電效應，它是一種無源式傳感器，直接將機械能轉變成電能。壓電效應分為正向壓電效應和逆向壓電效應。正向壓電效應是指當晶體受到某固定方向外力作用時，相應的在一定晶體表面產生電荷，當外力作用消失時，晶體表面的電荷也會隨著消失。當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變。晶體受力產生的電荷量與外力大小成正比。
逆向壓電效應是指當某晶體沿一定方向受到電場作用時，相應的在一定晶軸方向產生機械形變或機械應力，當外加電場撤去后機械形變或機械應力也消失。如圖所示的是利用壓電效應的壓電式加速度傳感器結構簡圖：
壓電加速度傳感器結構示意圖
中心壓縮型壓電傳感器結構簡單，工藝性好，相同質量情況下能得到較高的固有頻率，成本較低，壓電元件一般由兩片組成。在剪切型壓電傳感器中，平面剪切型結構能承受相對較高的沖擊加速度，中心柱、壓電元件和質量塊均做成平板形，左右壓電元件通過橫向螺栓固緊在中心立柱上。與中心壓縮型相比，剪切型結構對非振動因素具有較好的隔離性，具有更好的靜態特性，更高的信噪比和寬的高低頻特性。在剪切型結構中，壓電片受剪切力，高沖擊產生的剪切力較大，這就需要有較大的橫向預緊力，這對壓電片和預緊螺桿螺母的強度要求很高，其抗沖擊能力和頻響沒有中心壓縮型的好。
3.壓阻式加速度傳感器
壓阻式加速度傳感器主要由3個部分組成：1. 帶質量塊的懸臂梁彈性元件，可將所要測試的加速度轉換成機械變形量（如應力、應變）；2. 力敏原件，常用的是硅微固態壓阻平膜芯片，通過玻璃粉燒結工藝封裝在彈性元件的最大應力集中處，當有加速度作用時，彈性元件的最大機械變形量就通過平膜芯片的壓阻效應轉化為惠斯登電橋的電阻變化量，并在一定的電源激勵下，實現對加速度的測量；3. 具有過載保護功能的機械結構設計。如下圖所示：
壓阻式加速度傳感器示意圖
實際常用的三軸加速度傳感器如下圖所示，4個相互垂直的單端固支硅懸臂梁支撐著中間的可動質量懸塊,用來檢測3個方向的加速度;底部的PYREX玻璃基底提供加速度傳感器的高過載限位保護。壓敏電阻分布在4個懸臂梁上,將各電阻連接可以分別構成檢測3個垂直方向加速度的惠斯通電橋。當傳感器受到外界加速度a時, 質量塊m 會把加速度轉化為慣性力F = m a , 使懸臂梁發生形變,產生應力變化,導致壓敏電阻的阻值發生變化,最后由惠斯通電橋輸出相應電壓的變化。
三軸加速度傳感器示意圖
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