[发明专利]一种热对流加速度计

说明书

技术领域

本发明涉及加速度检测技术领域，特别是一种热对流加速度计。

背景技术

加速度计是测量物体加速度的仪表。在飞行控制系统中，加速度计是重要的动态特性校正元件。在惯性导航系统中，高精度的加速度计是最基本的敏感元件之一。在各类飞行器的飞行试验中，加速度计是研究飞行器颤振和疲劳寿命的重要工具。

传统加速度计由重量块(也称敏感质量块)、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。重量块受支承的约束只能沿一条轴线移动，这个轴称为输入轴或敏感轴。

当传感器壳体随着物体沿输入轴做加速运动时，根据牛顿定律，具有一定惯性的重量块力图保持其原来的运动状态不变。重量块与壳体之间将产生相对运动，支撑弹簧变形，于是重量块在弹簧力的作用下随之加速运动。当弹簧弹力与重量块加速运动时产生的惯性力相互平衡时，重量块与壳体之间便不再有相对运动，此时弹簧的变形反应出被测加速度的大小。电位器作为位移传感元件把弹簧的形变量转换为电阻信号输出。

微机械加速度计又称硅加速度计，是采用MEMS技术在以硅为主的材料上通过光刻、镀膜、蚀刻等一系列的半导体加工工艺制造出来的微型传感器，它感测加速度的原理与一般的加速度计相同，用半导体材料替代了重量块、弹簧、支承和电位器等结构，大大缩小了加速度计的体积并降低了制造成本。微机械加速度计分为压阻式、电容式、静电力平衡式等。

压阻式微机械加速度计包括硅材料制成的重量块，由单挠性臂或双挠性臂支撑，在挠性臂处采用离子注入法形成ZnO等材料的压敏电阻。当有加速度a输入时，重量块受惯性力F作用产生偏转，并在挠性比上产生应力，使压敏电阻的电阻值发生变化，从而提供一个正比于输入加速度的电阻信号输出。

电容式微机械加速度计在上述的压阻式微机械加速度计的重量块下面放置一个读取电极。当加速度输入使重量块偏转时，由读取电极与重量块所构成电容器的电容量发生变化，从而提供一个正比于输入加速度的电容信号输出。

压阻式微机械加速度计能测量恒定的高加速度，价格适中，但是只能在一定的温限之内工作，而且随着环境温度的变化极容易发生变化。电容加速度计的重量块与读取电极间距如果做小，容易受震动影响出现极间粘连或受微小颗粒移动后落到极间影响，造成电容值突变从而失效，因此电容式微机械加速度计的体积不容易做得很小。上述这些采用挠性臂结构的加速度计，特别是阻尼系数小的加速度计，在受到外界力的作用后会发生往复震荡，从而使得输出信号在一定的时间内无法使用，响应间隔不能太短；如果所测试的加速度频率与其共振频率相同，则更为严重，会引起加速度计不可逆的失效。

微机械热对流式加速度计包括一个硅芯片制成的空腔，在芯片空腔中央制备一个金属氧化物材料的电极作为热源，从而在空腔中产生了一个悬浮的热气团，同时由铝和多晶硅组成的热电耦组被等距离对称地放置在热源的四个方向。在未受到加速度或水平放置时，温度的变化梯度是以热源为中心完全对称的。此时所有四个热电耦组因感应温度而产生的电压是相同的。由于自由对流热场的传递性，任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓，从而导致其不对称。此时四个热电耦组的输出电压会出现差异，而且这个差异直接与所感应的加速度成比例。通过测量这个电压差异就可以测量出加速度的变化。

微机械热对流式加速度计是以可移动的热对流小气团作为重量块，通过测量由加速度引起的内部温度的变化来测量加速度。同传统的微机械加速度计采用实体质量块相比具有很大的优势。它不存在极间粘连、微小颗粒干扰、阻尼振动等问题，能抵抗高载荷高频率的加速度变化。但是采用硅为主要材料的微机械热对流式加速度计不可避免地需要使用到半导体制造工艺，包含光刻、气相沉积、等离子蚀刻等工序，降低制造成本的难度很大。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种制造工艺简单、材料易获取、降低成本的热对流加速度计。

本发明采用如下技术方案：

一种热对流加速度计，包括密封腔体、加热元件、若干感温元件和测量电路，其特征在于：该密封腔体内填充有惰性气体；该加热元件悬空地安装于密封腔体中部以对惰性气体进行加热并产生热对流；该若干感温元件悬空于密封腔体内并围绕加热元件对称设置以根据温度变化输出不同阻值；该测量电路与感温元件相连构成惠斯通电桥，通过测量惠斯通电桥上的两点电压值变化结合比例关系得到加速度或倾斜角信号。

优选的，所述密封腔体为合成树脂通过注塑、纳米压印或3D打印制备而成。

优选的，所述感温元件和加热元件为柔性导电薄膜，其为热高效率材料通过旋涂、辊涂或喷墨打印制备而成。