基于MEMS加速度傳感器的雙軸傾角計(jì)及其應(yīng)用

　引　言

MAV由于體積和負(fù)載能力極為有限,因此,減小和減輕飛控導(dǎo)航系統(tǒng)的體積及重量,就顯得尤為重要。本文基于MEMS加速度傳感器,設(shè)計(jì)一種雙軸傾角計(jì),該裝置精度高、重量輕,可滿足MAV的姿態(tài)角測量要求,也可用于其他需要體積小、重量輕的傾角測量設(shè)備上。

　MEMS加速度傳感器

ADXL202是最新的、低重力加速度雙軸表面微機(jī)械加工的加速度計(jì),以模擬量和脈寬調(diào)制數(shù)字量2種方式輸出,并具有極低的功耗和噪音。表面微機(jī)械加工使加速度傳感器、信號(hào)處理電路高度集成于一個(gè)硅片上。

和所有加速度計(jì)一樣,傳感器單元是差動(dòng)電容器,其輸出與加速度成比例。加速度計(jì)的性能依賴于傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。差動(dòng)電容是由懸臂梁構(gòu)成,而懸臂梁是由很多相間分布的指狀電容電極副構(gòu)成,一副指狀電容電極可簡化為圖1所示的結(jié)構(gòu)。每個(gè)指狀電極的電容正比例于固定電極和移動(dòng)電極之間的重疊面積以及移動(dòng)電極的位移。顯然,這些都是很小的電容器,并且,為了降低噪聲和提高分辨力,實(shí)際上需要盡可能大的差動(dòng)電容。

懸臂梁的運(yùn)動(dòng)是由支撐它的多晶硅彈簧控制。這些彈簧和懸臂梁的質(zhì)量遵守牛頓第二定律:質(zhì)量為m 的物體,因受力F而產(chǎn)生加速度a,則F =m a。而彈簧的形變與所受力的大小成比例,即F = kx,所以

x = (m / k) a ,式中　x為位移, m; m 為質(zhì)量, kg; a為加速度, m / s2 ; k為彈簧剛度系數(shù), N /m。

因此,僅有支撐彈簧的剛度和懸臂梁的質(zhì)量2個(gè)參數(shù)是可控的。減小彈簧系數(shù)似乎是提高懸臂梁靈敏度的一種容易方法,但懸臂梁的共振頻率正比例于彈簧系數(shù),所以, 減小彈簧系數(shù)導(dǎo)致懸臂梁共振頻率降低,而加速度計(jì)必須工作在共振頻率之下。此外,增大彈簧系數(shù)使懸臂梁更堅(jiān)固。所以,如果保持盡可能高的彈簧系數(shù),只有懸臂梁的質(zhì)量參數(shù)是可變化的。通常,增大質(zhì)量意味著增大傳感器的面積,從而使懸臂梁增大。在ADXL202中,設(shè)計(jì)出一個(gè)新穎的懸臂梁結(jié)構(gòu)。構(gòu)成X軸和Y軸可變電容的指狀電極沿著一個(gè)正方形四周的懸臂梁集成,從而使整個(gè)傳感器的面積減小,而且,共用的大質(zhì)量的懸臂梁提高了ADXL202的分辨力。位于懸臂梁四角的彈簧懸掛系統(tǒng)用以使X 軸和Y軸的靈敏度耦合減小到最小。