動(dòng)熱源擺式雙軸MEMS 熱加速度計(jì)敏感機(jī)理的研究

樸林華,佟嘉程,李備,張嚴(yán)

(北京信息科技大學(xué) 北京市傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101)

現(xiàn)如今,市場(chǎng)對(duì)微型加速度計(jì)適應(yīng)惡劣苛刻的環(huán)境能力要求越來(lái)越高,因此,MEMS(Micro-Electro-Mechaniacl System)熱氣體加速度計(jì)以其超高抗沖擊能力和超低制造成本在微機(jī)械傳感器中獨(dú)樹(shù)一幟,其他固體擺式MEMS 加速度計(jì)無(wú)法與之媲美[1-2]。微機(jī)械熱氣體加速度計(jì)用熱氣體質(zhì)量塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固體質(zhì)量塊[3],敏感質(zhì)量幾乎為零,其優(yōu)秀的抗沖擊性能在很多文獻(xiàn)中都得到了驗(yàn)證[4],同時(shí)它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、成本低,是理想的中低精度慣性器件,在導(dǎo)航、汽車電子、無(wú)人機(jī)、可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[5-7]。2017 年Han 團(tuán)隊(duì)提出了一種單軸熱對(duì)流加速度計(jì)[8],為了提高加速度計(jì)的靈敏度和頻率響應(yīng),該團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了加熱功率、空腔尺寸、氣體介質(zhì)和空氣壓力等參數(shù)。同年印度理工學(xué)院提出了一種改進(jìn)雙軸熱加速度計(jì)[9],通過(guò)設(shè)置硅島調(diào)節(jié)腔體中的溫度分布,提高靈敏度。2019 年,香港科技大學(xué)提出了一種科氏力補(bǔ)償型雙軸微熱對(duì)流加速度計(jì)(CMTCA)[10],實(shí)現(xiàn)了一種低耦合效應(yīng)的雙軸微熱對(duì)流加速度計(jì)。2018 年,日本京都立命館大學(xué)提出了一種帶閉環(huán)熱源的三軸熱對(duì)流加速度計(jì)[11],實(shí)現(xiàn)了三軸測(cè)量。MEMS 熱氣體加速度計(jì)的基本工作原理是利用加熱器(熱源)產(chǎn)生的熱流在輸入線加速度作用下發(fā)生移動(dòng),產(chǎn)生不對(duì)稱溫度場(chǎng),通過(guò)設(shè)置對(duì)稱的熱線(熱敏電阻)檢測(cè)溫度場(chǎng)的不對(duì)稱分布。與傳統(tǒng)的固體擺式加速度計(jì)相比,微機(jī)械熱氣體加速度計(jì)的靈敏度相對(duì)較低,主要原因是熱氣體的等效質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度均小于固體質(zhì)量塊。……