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、信號處理電路高度集成于一個硅片上。

和所有加速度計(jì)一樣,傳感器單元是差動電容器,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)。每個指狀電極的電容正比例于固定電極和移動電極之間的重疊面積以及移動電極的位移。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電容。

懸臂梁的運(yùn)動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正方形四周的懸臂梁集成,從而使整個傳感器的面積減小,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。