基于MEMS加速度传感器的双轴倾角计及其应用

　引　言

MAV由于体积和负载能力极为有限,因此,减小和减轻飞控导航系统的体积及重量,就显得尤为重要。本文基于MEMS加速度传感器,设计一种双轴倾角计,该装置精度高、重量轻,可满足MAV的姿态角测量要求,也可用于其他需要体积小、重量轻的倾角测量设备上。

　MEMS加速度传感器

ADXL202是最新的、低重力加速度双轴表面微机械加工的加速度计,以模拟量和脉宽调制数字量2种方式输出,并具有极低的功耗和噪音。表面微机械加工使加速度传感器、信号处理电路高度集成于一个硅片上。

和所有加速度计一样,传感器单元是差动电容器,其输出与加速度成比例。加速度计的性能依赖于传感器的结构设计。差动电容是由悬臂梁构成,而悬臂梁是由很多相间分布的指状电容电极副构成,一副指状电容电极可简化为图1所示的结构。每个指状电极的电容正比例于固定电极和移动电极之间的重叠面积以及移动电极的位移。显然,这些都是很小的电容器,并且,为了降低噪声和提高分辨力,实际上需要尽可能大的差动电容。

悬臂梁的运动是由支撑它的多晶硅弹簧控制。这些弹簧和悬臂梁的质量遵守牛顿第二定律:质量为m 的物体,因受力F而产生加速度a,则F =m a。而弹簧的形变与所受力的大小成比例,即F = kx,所以

x = (m / k) a ,式中　x为位移, m; m 为质量, kg; a为加速度, m / s2 ; k为弹簧刚度系数, N /m。

因此,仅有支撑弹簧的刚度和悬臂梁的质量2个参数是可控的。减小弹簧系数似乎是提高悬臂梁灵敏度的一种容易方法,但悬臂梁的共振频率正比例于弹簧系数,所以, 减小弹簧系数导致悬臂梁共振频率降低,而加速度计必须工作在共振频率之下。此外,增大弹簧系数使悬臂梁更坚固。所以,如果保持尽可能高的弹簧系数,只有悬臂梁的质量参数是可变化的。通常,增大质量意味着增大传感器的面积,从而使悬臂梁增大。在ADXL202中,设计出一个新颖的悬臂梁结构。构成X轴和Y轴可变电容的指状电极沿着一个正方形四周的悬臂梁集成,从而使整个传感器的面积减小,而且,共用的大质量的悬臂梁提高了ADXL202的分辨力。位于悬臂梁四角的弹簧悬挂系统用以使X 轴和Y轴的灵敏度耦合减小到最小。