引　言

MAV由于體積和負載能力極為有限,因此,減小和減輕飛控導航系統的體積及重量,就顯得尤為重要。本文基于MEMS加速度傳感器,設計一種雙軸傾角計,該裝置精度高、重量輕,可滿足MAV的姿態角測量要求,也可用于其他需要體積小、重量輕的傾角測量設備上。

　MEMS加速度傳感器

ADXL202是最新的、低重力加速度雙軸表面微機械加工的加速度計,以模擬量和脈寬調制數字量2種方式輸出,并具有極低的功耗和噪音。表面微機械加工使加速度傳感器、信號處理電路高度集成于一個硅片上。

和所有加速度計一樣,傳感器單元是差動電容器,其輸出與加速度成比例。加速度計的性能依賴于傳感器的結構設計。差動電容是由懸臂梁構成,而懸臂梁是由很多相間分布的指狀電容電極副構成,一副指狀電容電極可簡化為圖1所示的結構。每個指狀電極的電容正比例于固定電極和移動電極之間的重疊面積以及移動電極的位移。顯然,這些都是很小的電容器,并且,為了降低噪聲和提高分辨力,實際上需要盡可能大的差動電容。

懸臂梁的運動是由支撐它的多晶硅彈簧控制。這些彈簧和懸臂梁的質量遵守牛頓第二定律:質量為m 的物體,因受力F而產生加速度a,則F =m a。而彈簧的形變與所受力的大小成比例,即F = kx,所以

x = (m / k) a ,式中　x為位移, m; m 為質量, kg; a為加速度, m / s2 ; k為彈簧剛度系數, N /m。

因此,僅有支撐彈簧的剛度和懸臂梁的質量2個參數是可控的。減小彈簧系數似乎是提高懸臂梁靈敏度的一種容易方法,但懸臂梁的共振頻率正比例于彈簧系數,所以, 減小彈簧系數導致懸臂梁共振頻率降低,而加速度計必須工作在共振頻率之下。此外,增大彈簧系數使懸臂梁更堅固。所以,如果保持盡可能高的彈簧系數,只有懸臂梁的質量參數是可變化的。通常,增大質量意味著增大傳感器的面積,從而使懸臂梁增大。在ADXL202中,設計出一個新穎的懸臂梁結構。構成X軸和Y軸可變電容的指狀電極沿著一個正方形四周的懸臂梁集成,從而使整個傳感器的面積減小,而且,共用的大質量的懸臂梁提高了ADXL202的分辨力。位于懸臂梁四角的彈簧懸掛系統用以使X 軸和Y軸的靈敏度耦合減小到最小。