摘 要：MEMS加速度传感器计量检测技术已经成为计量检测系统中的主流技术，在社会各个领域实现了广泛应用。本文梳理了MEMS加速度传感器计量检测技术的概念及其发展脉络，并对近年来最新的研究进展进行综述。
关键词：MEMS加速度传感器；计量检测技术；研究进展
目前MEMS加速度传感器计量检测技术已经成为了检查微位移的重要检测手段和技术，特别是在航空航天领域和汽车领域已经发挥了重要作用。笔者在梳理已有学者的研究基础上，就未来的MEMS加速度传感器计量检测技术发展脉络进行探讨。
一、MEMS加速度传感器的研究概况
MEMS加速度传感器的研究与开发始于上世纪80年代初，采用MEMS和IC（集成电路）加工工艺生产。它吸收了多种学科的研究成果，具有集成电路系统的许多优点。近些年来，国内外很多科研机构与公司对MEMS加速度传感器进行了大量的研究工作，取得了许多研究进展。意法半导体、美国AD等世界著名公司，以及美国斯坦福大学、日本丰桥大学等科研机构都展开了MEMS加速度传感器的深入研究。日前，美国AD公司报道了一种新型三轴MEMS加速度传感器，该传感器采用单一质量块，价格低廉，平衡了消费者对性能和价格的需求。意法半导体推出一款全新数字信号输出三轴加速传感器LIS331HH，其最大测量值达到24g，相当于F1赛车在强劲刹车时产生的加速度的5倍左右，可在消费电子和工业应用中实现高精确度的测量。日立金属公司开发出目前业界最小的三轴MEMS加速度传感器，外形尺寸仅为2.5mm×2.5mm×1mm，质量为14mg。我国相关研究起步较早，自上世纪90年代以来便确定MEMS加速度传感器为国家重点研究项目。清华大学、北京大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、东南大学、信息产业部13所、航天771所和信息产业部49所等单位都开展了MEMS加速度传感器的研究工作。目前在国内工程化的MEMS加速度传感器精度还未达到mg量级。
二、微位移测量的应用及研究进展
对于大量的管道运输工程，由于地形的复杂性和传输的远距离性，管道微小的位移将产生重大的安全问题，因此勒振宇等人提出了一种基于MEMS加速度计和单片机、无线通信结合的管道小位移检测系统。系统采用的加速度传感器型号为美国AD公司生产的ADXL345，其性能稳定，检测误差小，经过对位移的采集、积分处理、误差分析等得出位移值。由于管道运输的地形和环境相对复杂，如果采用电缆供电，不仅浪费大量的人力物力，而且在实际实施时也将会有很大的困难，因此系统采用太阳能供电、数据采用无线传输。
在实验室的条件下对系统进行了模拟，其中将传感器放置在管道模型上，用手移动管道模拟其倾斜的方式测出单个传感器相对于重力场的实验数据，得出了整个系统能够满足基本测位移要求的结论，并能够读取管道位移量。该系统太阳能供电和无线通信相结合，系统构成简单，同时降低了应用成本，在工程应用中有一定的推广价值。但是就模拟实验条件来看，存在的问题是实验室条件和实际的工作环境有一定的差异，还有很多意想不到的干扰因素，因此对于实验得出的数据，应该在更加近似的环境下模拟得出。对于管道运输中，加速度传感器还有另一个重要应用，可用于供水传输管道的泄露点检测。当泄露造成的振动在水中传播时，会引起管壁的径向振动。在管道上安装MEMS加速度传感器，通过对管壁振动的检测并根据2个传感器检测的时间间隔，估计出泄露的位置，对泄露管道的及时定位与处理具有良好的应用价值。此外，Tottori大学通过实验模拟研究了地震中建筑的位置倾斜过程，通过对水平面峰值加速度的时域积分来估算位置倾斜最大值，提出了在监控地震过程中建筑的倾斜程度及估算其倒塌可能性的方法，对于建筑的健康检测及地震中建筑倒塌的预防有着重要的意义。
MEMS加速度传感器在微位移测量方面得到了越来越广泛的应用，目前通过众多研究者的努力，研究取得了一定的进展。在手势姿态识别方面，通过MXR9500加速度传感器对加速度的动态和静态数值进行检测，准确地分析出手指在空间运动中的姿态和运动状态，而且该基于MEMS加速度传感器的手势语识别系统识别准确率较高、运行稳定。系统采用了MXR9500三轴加速度传感器对加速度值进行采集，对其运动的检测包括方向、轨迹、行程以及手指间的角度关系，对手势语进行了全面检测。并提出将系统改进为无线接收，左、右手联合使用的一套语音翻译系统，左手做韵母，右手做声母，综合识别出汉字的设想，为手势语的识别提供了一种新思路。
三、微加速度传感器的发展趋势
近几年来，MEMS器件正在加速向具有信号处理功能的微传感器芯片，以及能够完成独立功能的“片上系统”（微系统）方向发展。据报道，美国加利福尼亚大学的克里斯？皮斯特已经用微型铰链、齿轮和发动机组装成一个蚂蚁大小的人造昆虫，可以在地上爬来爬去。当前，传感器的发展呈现微型化、集成化、阵列化、系统化、智能化、多功能化的趋势，而基于MEMS技术的微加速度传感器的研制必须根植于自身的技术、工艺特点，并能不断满足科学技术的发展及军民两用的需求。
1、加强基础理论的研究
微加速度传感器不是单纯的几何尺寸的微型化，它在尺度、材料、工艺与工作原理等方面与传统的机电传感器截然不同，是一种全新的设计理念。目前MEMS传感器研究中存在的许多有关微摩擦学、微机构动力学、微流体力学和材料微观力学特性等问题已经成为制约MEMS技术发展的“瓶颈”。因此，加强基础理论研究势在必行。
2、探索新工作机理，开发新器件结构
MEMS傳感器是机械、电子高度集成，甚至与光学、磁学效应以及化学、生物学原理等交互综合组成的器件。因此，基于先进的物理、化学或生物学的原理，通过微型化和集成化来探索新机理、新结构的微加速度传感器将有利于充分发挥MEMS技术的科技潜力，开拓更为广泛的市场空间。同时，将MEMS传感器研制与纳米技术结合，可能产生创新与突破。
3、多维化
目前，国内文献中对加速度传感器的研究主要集中在单维，技术也比较成熟，关于多维加速度传感器的研究文献报道较少；对于一体化结构的二维加速度传感器，国外的研究历史也不长。随着科学技术发展和军事、商业市场的需求，单一方向的加速度测试已经不能满足各方面的需求，加速度传感器正朝着多维（2维或3维）方向发展，用于检测空间加速度，为卫星导航、导弹制导、炮弹定向等军工项目和汽车防震保护、自动刹车、医疗等民用项目服务。传统的多维加速度传感器是将多个一维加速度传感器组合拼装，结构稳定性差，成本高，与当前器件集成化的要求不吻合。因此，迫切需要研制集成多维加速度传感器。
四、结语
随着集成制造工艺和微机械加工技术的不断发展，基于MEMS技术的微加速度传感器受到了各国科学家们的普遍关注，并在日新月异的传感器领域内显示出良好的发展前景。但是，应当清楚地认识到，我国在这方面仍有许多关键共性问题亟待解决，机遇与挑战并存。
参考文献：
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