单轴微机械热对流加速度计温度场分析

郭 伟，汪荣青，胡俊强，李顶根

（1.中船重工集团公司第七〇一研究所，湖北 武汉 430064；2.浙江机电职业技术学院，浙江 杭州 310053；3.华中科技大学，湖北 武汉 430074）

0 引 言

加速度计通过一定的测量手段可获得加速度值，诞生于二战期间的德国，受到世界各国尤其是西方发达国家的高度关注。由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种加速度计应运而生，在随后几十年被广泛应用于通用航空、车辆控制、高速铁路、机器人、探矿等诸多领域[1]。

传统加速度计的设计思想是在加速度计中放入固体质量块，通过测量固体质量块的加速度来测量系统的加速度，但是这种加速度计容易失效，能够承受的冲击应力十分有限。1996年12月美国一项专利对微机械热对流加速度计提出了设想，以气流质量团代替传统设计中的固体质量块来测量系统加速度。微机械热对流加速度计以温度为测量和分析对象，以较为成熟的微机械加工为基础，不仅加工制造工艺简单、成本低、尺寸小、质量轻、结构紧密，而且稳定性高、可靠性好、灵敏度较佳。可应用于汽车技术[1]、惯性制导、GPS[2]以及虚拟游戏机等诸多领域，具有广泛的市场前景。

1 工作原理、制造工艺与结构设计

1.1 工作原理

微机械热对流加速度计下半部分的结构简图如图1所示。

构成热对流加速度计的基本元素有：1个加热元件，1对热敏元件，单晶硅腔体，气体介质和外部电路。加热元件通电发热，离加热元件近的气体吸热升温快，离加热元件远的气体吸热升温慢，各处气体介质因受热不均而产生密度差，气体介质在空腔内做自然对流运动。……