Современные технологии изготовления акселерометров

Обычно под акселерометром подразумевают прибор, определяющий линейное и угловое ускорение, но если говорить точнее, то он измеряет разницу между истинным ускорением своего носителя и гравитационным ускорением. Как это происходит – можно рассмотреть на примере устройства простейшего механического акселерометра:

Фактически он состоит всего из трёх элементов: из инерционной массы, торсионного подвеса (пружины) и демпфера, гасящего колебания. Когда носитель акселерометра начинает ускоряться, пружина начинает растягиваться под действием сил инерции и масса начинает отклоняться от своего первоначального положения. Если мы приставим к этой системе измерительную шкалу, то мы сможем определить количественное выражение этого отклонения, которое и являет собой показания акселерометра (т.н. проекция кажущегося ускорения). Однако ускорение – это величина не только скалярная, но и векторная, т.е. она характеризуется не только величиной, но и направлением, благодаря этому можно определять осевое отклонение носителя, что активно используется в таких приборах как инклинометры (устройства, определяющие угловые отклонения носителя по одной или нескольким осям):

Диапазон и точность измерений статических инклинометров как правило определяется в градусах, но для акселерометров, устанавливаемых в динамические навигационные системы, была избрана другая единица измерения, которая эквивалентна ускорению свободного падения (g=9,81м/с²). Далее мы рассмотрим основные виды современных акселерометров, различающиеся по принципу действия и технологии изготовления.    

Ёмкостные акселерометры

Наиболее распространённую группу акселерометров составляют т.н. ёмкостные акселерометры. Принцип их действия основан на измерении ёмкости заряда двух одинаковых конденсаторов, на которые воздействует перемещающаяся инерционная масса, заставляя их приближаться друг к другу, что приводит к количественному изменению ёмкости заряда. По величине этого изменения и определяется линейное ускорение. Одним из вариантов ёмкостного акселерометра является маятниковый акселерометр:

В этом случае применяется система, состоящая из двух электромагнитных рамок, одна из которых (подвижная рамка) установлена внутри другой (неподвижной рамки). При возникновении ускорения, подвижная рамка с маятником, стремящимся сохранить свое положение неизменным, начинает разворачиваться относительно неподвижной рамки. В результате относительного вращения рамок магнитный поток подвижной рамки, пересекая витки обмотки неподвижной рамки, вызовет в ней электродвижущую силу, пропорциональную ускорению.

Одним из эталонных типов акселерометров считаются поплавковые компенсационные акселерометры, где маятниковый узел установлен внутри жидкостной или газовой ёмкости на электромагнитных опорах. Передвигаясь между опорами, маятник меняет их электромагнитный потенциал пропорционально возникающему ускорению. Чувствительность таких акселерометров очень высока, поскольку жидкостная или газовая среда хорошо способствует уменьшению излишней вибрации.

Ёмкостные акселерометры завоевали большую популярность благодаря простоте своего устройства, однако они подходят не для всех применений из-за того, что плохо адаптированы к перегрузкам (особенно маятниковые) и электромагнитным помехам. Более интересной, с точки зрения эксплуатационных характеристик, выглядит следующая группа акселерометров.

Пьезоэлектрические акселерометры

В данном типе приборов перемещающаяся инерционная масса воздействует непосредственно на пьезоэлемент из кристаллического или керамического материала, вызывая в нём изменение электростатического напряжения. Подключив к такому устройству потенциометр, можно получить количественное выражение этих изменений, которое прямо пропорционально ускорению. Пьезоэлектрические акселерометры отличаются большей надёжностью и стабильностью работы, чем ёмкостные, а также имеют более широкий динамический диапазон измерений. Ещё лучшие показатели имеют пьезорезистивные акселерометры, в которых измеряется не заряд или напряжение, а механическое сопротивление самого пьезоматериала:

Благодаря отсутствию движущихся частей, такие акселерометры очень устойчивы к перегрузкам, а также не чувствительны к электромагнитным помехам, однако они имеют очень слабый уровень сигнала, поэтому им требуется усилитель.

В современной электронике те же ёмкостные и резистивные технологии используются уже на микро и нано уровне.

МЭМС и НЭМС акселерометры

Как известно, микромеханические датчики подразделяются на два типа. Первый тип – это т.н. «чип на кристалле» (system-on-chip), в котором чувствительный элемент и система обработки сигнала расположены на одной мультиплексорной подложке из кремния или кварца. Такая схема очень компактна, но достаточно сложна и не слишком надёжна. Второй вариант компоновки датчика подразумевает гибридное исполнение, когда чувствительный элемент располагается на отдельной пластине, а все остальные детали вынесены во вне. Таким образом достигается большая надёжность прибора, но при этом отчасти приносится в жертву его миниатюрность. Долгое время микромеханические (МЭМС) акселерометры и гироскопы считались не пригодными для использования при значительных перегрузках, однако на сегодняшний день имеются модели МЭМС акселерометров, стабильно работающие при перегрузках в 10 000g:

В настоящие время также уже имеются и действующие образцы наноразмерных акселерометров, чувствительный элемент которых изготовлен из 2D структур. Они представляют собой кремниевую массу, прикреплённую к графеновым мембранам.  Деформация этих мембран, возникающая в результате ускорения, вызывает изменения сопротивления графена, которое фиксируется с помощью пьезорезистивного метода считывания, при этом графен играет одновременно и роль пружины, и роль преобразователя.  Размер данного акселерометра не превышает 50мкм (без учёта корпусировки).

Волоконно-оптические акселерометры

Ещё одну обособленную технологическую группу представляют собой волоконно-оптические акселерометры. В большинстве случаев их устройство в принципе аналогично устройству ёмкостных акселерометров с той лишь разницей, что величиной эквивалентной ускорению тут является интенсивность светового пучка, который распределяется по двум волоконным выходам:

Волоконно-оптические акселерометры обладают повышенной чувствительностью, но достаточно сложны и дорогостоящи, а также имеют низкий уровень устойчивости выходного сигнала.  Однако есть области применения, где трудно обойтись без такого рода приборов. Например, для регистрации очень слабых гидроакустических сигналов применяется волоконно-оптический акселерометр на основе интерферометра Маха-Цендера с использованием лазерного излучения.

Термальные (тепловые) акселерометры

В заключении данного обзора хотелось бы рассмотреть весьма экзотический вид акселерометров – это тепловые и термальные акселерометры. Стандартный тепловой акселерометр состоит из инерционной массы, подвешенной на тонкой консольной балке, расположенной между двух теплоотводящих пластин, пространство между которыми заполнено теплопроводящим газом. Масса нагревается при помощи встроенного нагревателя до заданной температуры. Пока ускорения нет, между массой и теплоотводами устанавливается тепловое равновесие, а при движении это равновесие нарушается на температурную величину, пропорциональную ускорению. Главные преимущества теплового акселерометра – это его автономность и компактность, а также отсутствие механических компонентов, а главный недостаток - это зависимость выходного сигнала от внешней температуры, что требует серьёзной термоизоляции прибора.

Особый вид термальных акселерометров представляют собой акселерометры с нагреваемым газом (АНГ), где используется теплопроводность не твёрдого вещества, а газовой среды:

При нулевом ускорении распределение температуры внутри полости с газом симметрично относительно источника тепла, ускорение акселерометра в любом из направлений из-за конвекционной теплопередачи изменит температурный профиль, который станет несимметричным, при этом разница температур будет прямо пропорциональна ускорению.

С помощью такого АНГ можно измерять угловое ускорение объекта сразу по двум осям в очень широком диапазоне и при перегрузках до 50 000 g.