1959年,著名的物理学家R. Feynman在其演讲中提出了微机械的假想,对于MEMS技术的研究也便由此展开。在1977年,R. Feynman的设想得以实现,世界第一只MEMS加速度计诞生于美国斯坦福大学[4]。自此,MEMS加速度计在制导、导航方面的运用也成了重点的研究方向,其种类日新月异,性能有了很大的提高。23024
国外对MEMS加速度的研究起步比较早,但在早前的大部分时候都是研究单轴的加速度计。随着市场的需求等,对三轴MEMS加速度计的研究正在稳步的推进。以下是西方发达国家的一些公司研发的三轴MEMS加速度计产品。
Analog Devices公司从1989年即开始对电容加速度计进行了研究,并且在1993年推出以干法刻蚀技术制作而成的加速度计ADXL50;AD公司并于1998年推出双轴系列,该公司又进而在2005年首次成功地推出了三轴加速度计——ADXL330,如下图1.1所示为该公司的加速度计产品。而始于20世纪末对MEMS加速度计开始进行研制的Silicon Design公司,它生产的三轴加速度计大多都是由3个正交分布的单轴加速度计组成,并且用电镀铝制的外壳将其密封。其不同型号的产品的灵敏度可以达到20mV/g,它的测量范围由±2g~±200g,并且能够抗住达到2000g的冲击。
图1.1 AD公司生产的加速度计
瑞典的IMEGO研究所研制了一种新型三轴MEMS加速度计,其敏感结构是由单倾斜梁支撑的质量块并且以多质量块布置形式检测电容,以湿法腐蚀工艺制作而成。其频率范围在 之间,具有 的灵敏度。但其可靠性以及检测精度会因为采用单倾斜梁支撑形式而受到一定的影响。
德国公司Robert Bosch在2007年成功研制了一种测量范围在 内的三轴的微机械加速度计—SMB380。它是以深反应离子刻蚀工艺制作而成并且以梳齿式电容检测方式来进行检测。SMB380侧壁的表面质量比较高而且深宽比高的结构比较多。
基于差分电容检测方式以及三层体硅加工技术,瑞士的Colibrys公司成功研制了高性能的MEMS加速度计,并且该产品广泛地应用在了武器装备中。Colibrys公司为了更进一步地提高其灵敏度,研发出了如下图1.2所示的Si-Flex TM系列MEMS加速度计产品。
1.2 Si-Flex TM系列产品
芬兰的VTI公司成功研制了在惯性导航、倾斜测量以及移动终端等众多领域都能够适用的单片集成的并且具有高性能和低功耗等特性的三轴加速度计—SCA3100。有四对差分电容包含在该加速度计中,并且其在三个正交的方向上加速度值的大小能够由解耦计算得出。
日本丰田实验室成功地研制出了一种如图1.3所示的新型MEMS加速度计。该MEMS加速度计基于“ 字”电极而形成差分电容进行检测,并因为采用的是新型的结构而极大地改善了其在满量程范围之中的非线性度以及交叉耦合,分别达到了 以及 。同时,日本的学者Takao等研制一种新型三轴压阻加速度计。该加速度计以SOI为基础并且能够在高温环境中使用。在其结构的周围布置了质量块,并以4个悬臂梁将质量块接连到支撑的边框上同时在梁上制作压敏电阻。
1.3 日本丰田实验室研制的MEMS加速度计
除了上述的一些公司以外,Freescale和Kionix等公司也各自推出了其研制的三轴MEMS加速度计产品。总而言之,欧美等西方国家对于MEMS加速度计的研究开始的比较早并且工艺有了极大提高。各种类型的MEMS加速度计层出不穷,在众多领域得到应用并且有一部分已经在武器装备中得到了成功的运用。
相比于国外对MEMS加速度计的研究,我国的起步较晚,成果也相对较少但是也取得了一定的进步。上世纪80年代,MEMS技术在国内刚刚起步,国内的中科院上海微系统所、清华大学、北京理工大学和航天总公司16所等众多单位都对MEMS加速度计的研究先后开展了大量的工作,但是对于加速度计的研究大多针对单轴以及双轴,而很少对三轴的进行研究。
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