CN106990262A - 一种热对流加速度计 - Google Patents

Abstract

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，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。本发明在继承了微机械热对流式加速度计优势的基础上，由于制造工艺简单，材料易获取，能够极大地降低热对流式加速度计的成本。

Description

一种热对流加速度计

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。

优选的，所述热高效率材料为碳纳米管或石墨烯。

优选的，所述感温元件和加热元件采用柔性导电薄膜和硬质薄膜相贴合，该硬质薄膜为塑料、PET或石英。

优选的，所述惰性气体为氮气或氩气。

优选的，所述感温元件和所述加热元件均设有穿过所述密封腔体的引出导线，所述密封腔体与引出导线之间的缝隙填充有合成树脂。

优选的，所述测量电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和电源Vcc；该第一电阻和第二电阻的一端相连，第一电阻的另一端与第三电阻一端和电源Vcc相连，该第二电阻的另一端与所述感温元件一端相连并接地，该第三电阻另一端和所述感温元件另一端相连。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的一种热对流加速度计，使用合成树脂材料，如PDMS等，通过注塑、纳米压印、3D打印等低成本、高效率、而且成熟的塑形工艺来制备密闭中空腔体；使用碳纳米管、石墨烯等高热效率材料制备的柔性导电薄膜来作为加热元件和温度敏感电阻；采用氮气、氩气等惰性气体作为热流体；本发明在继承了微机械热对流式加速度计优势的基础上，由于制造工艺简单，材料易获取，能够极大地降低热对流式加速度计的成本。

附图说明

图1为本发明的剖视图(侧面)；

图2为本发明的剖视图(顶面)；

图3为本发明内部热对流运动变化图(在水平向左加速度a1作用下)；

图4为本发明内部热对流运动变化图(水平静止或匀速运动)；

图5为本发明内部热对流运动变化图(在水平向右加速度a2作用下)；

图6为本发明惠斯通电桥结构图；

图7为静止状态下温度曲线示意图；

图8为有加速度情况下的温度曲线示意图；

其中：10、密封腔体，11、内腔，12、气密腔壁，20、加热元件，30、感温元件，40、引出导线；R1、第一电阻，R2、第二电阻，R3、第三电阻，Rx、电阻薄膜。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参照图1至图6，一种热对流加速度计，包括密封腔体10、加热元件20、若干感温元件30和测量电路等。该密封腔体10为中空的密封腔体，其为合成树脂，例如PDMS等，通过注塑、纳米压印或3D打印等塑形工艺制备而成，该密封腔体10设有内腔11和气密腔壁12，可分为若干部分，以方便后续加工和组装，方便导电薄膜、导线等内部结构的安装以及惰性气体填充。该密封腔体10内填充有惰性气体，例如氮气或氩气等。

该感温元件30和加热元件20为柔性导电薄膜，其为热高效率材料例如碳纳米管、石墨烯等，通过旋涂、辊涂或喷墨打印制备而成。该感温元件30和加热元件20均直接悬空地设置于密封腔体10内，使得流体可围绕二者做对流运动，能够保证较好地传热。该直接悬空是在安装完成后，在所需填充惰性气体的气氛里，将这些腔体部分用合成树脂再粘贴为一个整体，恢复气密性。制备好的感温元件和加热元件(导电薄膜)切割成所需形状和尺寸大小，一般为细长条形薄膜。采用热绝缘材料将细长条型薄膜的两端固定在腔体中部内壁上，保持细长条型薄膜中间大部份悬空，不与腔体内壁发生接触。该加热元件20位于中部，通电时，对围绕在加热元件20周围的气体进行加热，被加热后的气体体积发生膨胀导致密度降低，从而在重力作用下上升，远离加热元件20；温度相对较低的气体填补到热气团上升后留下的空位置里去，继而又被加热，这样反复循环就形成了热对流传导。该若干感温元件30围绕加热元件20对称设置以根据温度变化输出不同阻值。

该感温元件30和加热元件20还可采用柔性导电薄膜和硬质薄膜相贴合，该硬质薄膜为塑料、PET或石英，能够起支撑作用使得感温元件30和加热元件20间接悬空于密封腔体10内。另外，该感温元件30和加热元件20均设有穿过密封腔体10的引出导线40，用于形成电性接触与外部电路相连，该密封腔体10与引出导线40之间的缝隙填充有合成树脂。

该测量电路与感温元件30相连构成惠斯通电桥，测量电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和电源Vcc；该第一电阻R1和第二电阻R2的一端相连，第一电阻R1的另一端与第三电阻R3一端和电源Vcc相连，该第二电阻R2的另一端与感温元件30即电阻薄膜Rx一端相连并接地，该第三电阻R3另一端和电阻薄膜Rx另一端相连。通过测量惠斯通电桥上的BD两点电压值变化结合比例关系得到加速度或倾斜角信号。

对于该惠斯通电桥，通过欧姆定律可以计算出每个电阻两端的电压。假设电桥供电电压为V_CC，流过第一电阻R₁，第二电阻R₂桥臂的电流为I₁，则I₁＝V_CC/(R₁+R₂)；流过第三电阻R₃，电阻薄膜R_X桥臂的电流为I₂，I₂＝V_CC/(R₃+R_X)。在第一电阻R₁和第二电阻R₂这两个桥臂上，第一电阻R₁，第二电阻R₂将V_CC电压分压，第二电阻R₂两端得到的电压即为V₂，V₂＝I₁*R₂＝V_CC*R₂/(R₁+R₂)。在第三电阻R₃和电阻薄膜R_X这两个桥臂上，第三电阻R₃，电阻薄膜R_X将V_CC电压分压，第三电阻R₃两端得到的电压即为V₃＝I₂*R₃＝V_CC*R₃/(R₃+R_X)。

故V_g＝V₂-V₃＝V_CC*((R₂/(R₁+R₂))-R₃/(R₃+R_X)))＝V_CC*((R₂*R_X-R₃*R₁)/(R₁+R₂)(R₃+R_X))；通过测量V_g的值，即可以计算出电阻薄膜R_X的电阻值：

R_X＝(V_g*R₁*(R₁+R₂)+V_CC*R₁*R₃)/(V_CC*R₂-V_g*(R₁+R₂))。

假设设有两感温元件30，分别位于加热元件20两侧，工作原理如下：

当将本发明的热对流加速度计沿垂直于重力加速度方向静止放置时，即除了重力加速度，不受其他加速度时，流体的对流运动是在垂直于通过热源的平面上关于中间加热元件20对称的，因此，对称排列在加热元件20周围的感温元件30探测到的温度是相等的，对称排列的感温元件30电阻值也是相等的R_n＝R_m。

若对本发明的热对流加速度计施加一个横向的加速度a或者倾斜放置角度θ，那么气体分子在加速度的作用下，或因倾斜导致沿所述平面法线的重力加速度分量Δg＝g*(1-cosθ)发生变化的作用下，气体的对流运动形式发生变化，从而使对称排列的感温元件30即电阻薄膜Rx探测到的温度产生差异ΔT₂，进而使温度敏感的电阻薄膜Rx的电阻值产生差异ΔR_T＝αΔT₂，α是电阻薄膜Rx的温度系数，由电阻薄膜Rx的具体材料确定。

通过加速度或倾角变化前后两次的感温元件30电阻值，ΔR＝R_X-R_n，R_n是变化前的电阻薄膜电阻值，R_X是变化后的电阻薄膜电阻值，即可以计算出加速度和倾角，a＝f(ΔR)＝f₁(V_g)，θ＝g(ΔR)＝g₁(V_g)，f₁和g₁是通过标定来确定的比例关系；如此便可以通过测量电压信号V_g来间接测量加速度或倾角信号。如图7所示，为静止状态下温度曲线示意图。如图8所示，为有加速度情况下的温度曲线示意图。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (8)

1.一种热对流加速度计，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。

2.如权利要求1所述的一种热对流加速度计，其特征在于：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。

3.如权利要求1所述的一种热对流加速度计，其特征在于：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。

4.如权利要求3所述的一种热对流加速度计，其特征在于：所述热高效率材料为碳纳米管或石墨烯。

5.如权利要求1所述的一种热对流加速度计，其特征在于：所述感温元件和加热元件采用柔性导电薄膜和硬质薄膜相贴合，该硬质薄膜为塑料、PET或石英。

6.如权利要求1所述的一种热对流加速度计，其特征在于：所述惰性气体为氮气或氩气。

7.如权利要求1所述的一种热对流加速度计，其特征在于：所述感温元件和所述加热元件均设有穿过所述密封腔体的引出导线，所述密封腔体与引出导线之间的缝隙填充有合成树脂。

8.如权利要求1所述的一种热对流加速度计，其特征在于：所述测量电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和电源Vcc；该第一电阻和第二电阻的一端相连，第一电阻的另一端与第三电阻一端和电源Vcc相连，该第二电阻的另一端与所述感温元件一端相连并接地，该第三电阻另一端和所述感温元件另一端相连。