高频响小体积三轴加速度计设计与实现

姜志国， 陈玉玲 ， 史岩峰， 于 洋， 方贺兴

(北京强度环境研究所，北京 100076)

高频响小体积三轴加速度计设计与实现

姜志国， 陈玉玲 ， 史岩峰， 于 洋， 方贺兴

(北京强度环境研究所，北京 100076)

设计了一种基于微机电系统(MEMS)技术的高频响三轴加速度计，内部集成滤波电路和放大电路，实现了传感器与变换器的一体化。电路设计简单可靠，功耗低，稳定性好。电路板的结构采用刚挠结合印制板的设计，保证了传感器输出的高精度和低噪声特性。整机结构体积小巧，刚性好，3个方向的频率响应均可以达到5 kHz，实现了一个测点3个方向高频加速度参数的测量。通过性能指标校验和实验验证，证明传感器具有测量精度高、热灵敏度漂移小、横向效应低等优点，可应用于航空航天等领域。

微机电系统； 加速度计； 敏感芯体； 频率响应

0 引 言

机械振动信号按频率大小可以分为低频、中频和高频信号，高频振动信号为频率大于1 kHz的信号。通常在高频范围内，主要测量振动的加速度，它表征振动部件所受冲击力的强度，冲击力的大小与加速度值正相关[1]。为了检测高频振动信号，通常需选用高频响加速度计，传统的电容式和压阻式三轴加速度计动态范围有限，而压电式加速度传感器不易实现敏感芯体和变换电路一体化设计[2]。目前，国内同行业高频振动传感器的频响特性仅可以达到2 kHz，不能满足航天型号的使用要求。

随着微机电系统(MEMS)技术的深入发展和应用，基于MEMS技术的压阻式和电容式传感器的频响范围越来越宽[3]。MEMS传感器具有体积小、质量轻、响应快、灵敏度高和易生产等特点，加上低能耗、高功率、低成本等优势，特别适合在航空、航天等领域使用[4，5]。

本文针对传统加速度传感器存在的问题，设计了一种高频响的三轴加速度传感器，选用3块基于MEMS技术的传感器芯片ADXL001[6]作为敏感元件，并与调理电路一体化设计，整机结构质量轻，刚性好，频率特性可以达到5 kHz，横向效应低，且体积小巧，便于安装使用，满足技术指标要求。

1 高频响三轴加速度计的结构设计

1.1 结构组成

传感器的结构主要由刚挠结合电路板、3块敏感元件、壳体、顶盖、束线管及电缆插头等组成。刚挠结合板由4块刚性板和3块挠性板组成，整机结构机械图如图1所示。

图1 传感器结构图

1.2 结构设计

传感器机械结构的设计遵循“轻重量，小体积，高频响”的原则，以满足机械和电气接口要求为前提，同时进行了密封设计，避免了潮气等进入到传感器内部。外壳材料采用铝7A04,该材料质量轻且工艺性好，表面经导电氧化处理后具有更好的耐腐蚀性。壳体的尺寸仅为30 mm×30 mm×25 mm，体积小，刚性好，使用2个M3的螺钉便可安装使用。壳体的厚度直接影响着传感器的整机性能:壳体过薄，传感器会在较低的频率点出现谐振现象，过厚会增加整机的重量，也将影响产品的频响特性。经实际验证，壳体采用了最佳厚度1.5 mm。顶盖和壳体上端结合的地方设计有台阶，保证了两者的正确卡位和装配。

X,Y,Z3个方向的敏感元件分别焊接在刚挠结合板的3块刚性电路板上，通过胶粘的安装方式将带有敏感芯体的3块刚性板分别固定在壳体的3个正交垂直的内面上，焊接有滤波电路和变换电路的第4块刚性板胶粘固定在壳体的另外一个内侧面。壳体的内面在生产过程中保持了严苛的机加垂直度，电路板在粘接过程中使用先进的张弛夹具，可以保证电路板和壳体内面的平整粘接，从而将3个方向的最大横向灵敏度比控制在一个很小的比例范围内(<2 %)。

1.3 结构分析

模态分析技术可用于振动测量和结构动力学分析，能测得精确的固有频率、模态振型、模态阻尼、模态质量和模态刚度等参数[7]。运用模态分析技术对传感器的结构进行了分析，使用HyperWorks软件建立了有限元模型。将设置好求解器参数的有限元模型提交相应求解器，求解出该结构的自由模态参数。由于结构的动态特性主要由前几阶模态决定，所以，模态分析时只需要识别其前几阶模态[8]。该结构的模态振型主要分为三大类，即前后弯曲、左右扭转及上下摆动。图2分别为该结构前4阶的模态振型图，前4阶模态频率分别为14.412，18.775，21.836，23.629 kHz，可看出,各阶模态频率都在14 kHz以上，说明该结构具有优良的刚性和动态特性，可以满足航天型号的使用要求。

图2 模态振型图

2 高频响三轴加速度计电路设计

2.1 传感器内部供电电源设计

敏感元件需要+5 V的电压供电，功耗电流为8 mA，滤波电路的供电电压也是+5 V，额定功耗电流7 mA，这样就需要+5 V电源提供大约15 mA的电流，一般的+5 V的基准源的供电电流在10 mA以内，不能满足功率设计要求。系统的供电电压为+15 V，压差为10 V，一般低压差的电压变换器也不适用。电压调整器MAX6043的供电电压在4.5～40 V之间，输出为2.5，3.3，4.096，5，10 V可选择使用，工作电流可以达到20 mA[9]，满足电流功耗的设计要求。其封装形式为6管脚的表面安装，体积非常小，节约电路板的布线面积，也符合整个传感器的小体积的设计要求。

2.2 敏感芯体电路设计

敏感元件ADXL001的频率响应宽，线性度好，横向灵敏度比小，具有优良的性能特征。为了保证产品输出具有高精度、低噪声特性，敏感芯体的电路设计如图3所示，敏感芯体需要稳定的+5 V电压供电，电容Ci滤除稳压源MAX6043输出电压中掺杂的噪声信号，从而为电路提供更加稳定的供电电压。敏感芯体的输出端接有电容器Co改善电路的抗电磁干扰能力，Co的大小直接影响着去噪的效果，经过反复筛选比较及匹配测试，当选用容值为0.1 μF的I类片式瓷介电容器作为滤波电容时，敏感芯体的输出较为理想，纹波电压在20 mV以内。

图3 敏感芯体输出方式

2.3 滤波电路设计

传感器要求的频率响应范围在10～5 000 Hz,因此，需要设计滤波电路，经过多方面查找资料并综合比较，选用了MAX公司生产的8阶低通开关电容滤波器MAX291。该元件所需外围元器件少，在2倍截止频率点，衰减可达到48 dB/倍频程[10]。MAX291可以用外接电容器与内部的振荡器组成振荡电路，通过调节外部电容，调整滤波器的截止频率。MAX291的应用电路如图4，C61为调节滤波器的截止频率的外接电容器，截止频率f=1 000/(3C61)。所以，通过调节C61 (pF)可以满足不同的截止频率的需要。通过计算可以得出，当截止频率为5 kHz时，C61的容值为66.8 pF。

图4 MAX291应用电路

2.4 电压调整电路的设计

在电压调整电路中如图5，Vin为滤波电路的输出电压，Vo为最终输出电压，+2.5 V为零位偏置电压，Rg1和Rt1用于调整电压增益，C71，R71用于调整传感器带宽的起始频率点。其中电压增益Av为

(1)

图5 电压调整电路

3 性能指标校验

为了验证传感器设计的合理性，生产了4只样机，编号为01～04，量程均为±400gn，对传感器的性能指标进行了多次校验，所有指标均符合设计要求，具体项目如下：

1)灵敏度和线性度校验

灵敏度校验在160 Hz,施加10gn的标准加速度，采集传感器的输出。线性度校验在160 Hz的频率点分别施加不同量级的加速度值，采集传感器的数据，经过与灵敏度值的比较，计算出线性度。具体结果如表1。灵敏度范围和线性度指标均符合设计要求。

表1 灵敏度和线性度校验结果

2)幅频特性校验

在振动传感器校准系统上对传感器在10～5 kHz的范围内进行了幅频特性的校验，4只传感器的带内曲线平稳，不平度小，带外衰减快，符合设计要求。图6为01#传感器X方向频响曲线图。从图中可看到，传感器的截止频率达到了5 kHz，幅频性能良好。

图6 幅频特性校验结果

3)横向灵敏度校验

施加与敏感振动方向垂直的频率为160 Hz、量级为1gn的正弦加速度，采集传感器的输出，并记录下输出最大值Smax。最大横向灵敏度比TSR[11，12]的计算公式为

(2)

式中 Sx为传感器的轴向灵敏度值。结果如表2，可看出：传感器的横向灵敏度比小于3 %，满足设计要求。

4 结 论

本文设计了一种高频响、小体积三轴加速度计，选用3块基于MEMS技术的传感器芯片作为敏感元件，通过正交安装的方式实现3个方向加速度参数的测量。敏感芯体和调理电路一体化设计，整个传感器电路设计简单可靠。整机结构质量轻，刚性好，谐振频率高，横向效应低，且体积小巧，便于安装使用。经性能指标的校验考核，证明本文设计的三轴加速度计频响特性能够达到5kHz，远远高于目前国内同行业的水平(2kHz)，可用于航天多种型号3方向加速度参数高精确性的测量。

表2 横向灵敏度校验结果

[1] 樊尚春.传感器技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004:10-12.

[2] 刘少强,张 靖.传感器设计与应用实例[M].北京:中国电力出版社,2008:4-5.

[3] 董景新.微惯性仪表—微机械加速度计[M].北京:清华大学出版社,2003:4-11.

[4] Kourepenis A，Borenstein J，Connelly J，et al．Performance of MEMS inertial sensors[C]∥The 24th Joint Services Data Exchange Conference，New York，NY，USA，IEEE，1998:1-18．

[5] Verma R，Gogo B P，Mladenovic D．MEMS pressure and acceleration sensors for automotive application[R]．Detroit，MI，USA:SAE，2003．

[6] Analog devices.ADXL001/High performance,wide bandwidth accelerometer[DB/OL].2010—02—13. http:∥www.analog.com.

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[9] Maxim Integrated Products.MAX6043/precision high-voltage refe-rence in SOT23[DB/OL].2004—04—08.http:∥www. maxim-ic.com.

[10] Maxim Integrated Products.MAX291/8th-order,lowpass,switched-capacitor filters[DB/OL].1996—09—24. http:∥www. maxim-ic.com.

[11] 林生荣，张 辉.三轴加速度传感器校正方法研究[J].传感器与微系统，2011，30(11)：72-78.

[12] 邬 琦，林 靖，杨江涛．一种MEMS高gn值加速度传感器的结构设计与仿真[J]．传感器与微系统，2014，33(9):77-80.

Design and implementation of small-scale triaxial acceleration sensor with high frequency response

JIANG Zhi-guo, CHEN Yu-ling, SHI Yan-feng, YU Yang, FANG He-xing

(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering,Beijing 100076,China)

A high frequency response triaxial acceleration sensor based on MEMS technology is designed.Filtering circuit and amplifier circuit are integrated in the sensor to realize integrative design of sensor and convertor.The design of circuit is simple,reliable,low power consumption and high stability.The design of flexible-rigid PCB is introduced into the structure of circuit board,which ensures high precision and low noise characteristics.Structure of whole sensor is small and has good rigidity,frequency response of three-directions reach 5 kHz.The triaxial acceleration parameter can be measured synchronously using the sensor at one measuring point.By the checkout of property and validation of experimentation,the sensor is proved to have the characteristic of high precision,small thermal sensitivity drift and low transverse effect,and it can be used in the fields such as aerospace.

MEMS; acceleration sensor; sensitive chip; frequency response

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0120—03

2016—09—13

TP 212

B

1000—9787(2017)05—0120—03

姜志国(1983-)，男，硕士研究生，高级工程师，研究方向为航天用振动类传感器的研制和设计工作。