一种电容式加速度传感器.doc

一种电容式MEMS线加速度传感器的设计一 MEMS以及传感器介绍MEMS即微机电系统,是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。所谓传感器就是一种将能量从一种形式转变成另一种形式，并针对特定可测量的输入为用户提供一种可用的能量输出的器件。以半导体技术和微机电加工工艺设计、制造的MEMS传感器，集成度高，并可与信号处理电路集成在一起，大大降低了生产成本，已在汽车、消费电子和通信电子领域取得极大发展。二MEMS加速度传感器特点和应用随着微机械系统和微加工技术的发展，微型传感器也随之迅速发展。惯性系统已广泛用于航天，航空，民用领域为目前各种航行体上应用的一种主要导航设备，能够提供比较精确的姿态与多种导航信息。我们利用惯性敏感元件和初始位置就可以确定载体的动态位置、姿态和速度。而加速度计作为惯性系统的一个核心敏感器件，虽然较陀螺仪发明较晚，但是发展速度很快。因此，此次对于MEMS加速度传感器的研究对于了解专业发展前沿和激发自己的学习兴趣都有很大的帮助和意义。根据原理不同，MEMS加速度传感器按敏感原理可以分为压阻式、压电式、电容式、谐振式、热电藕式和隧穿式等几大类。MEMS加速度传感器尺寸微小，测量准确，精确度高等特点广泛用于工程，医学，生物等各个领域。随着仪表本身性能的提高，其前景也会越来越好。目前情况看，MEMS惯性传感器主要市场是在低精度，小体积，高可靠性和量大面广的应用领域，倾斜度侦测、运动检测、定位侦测、震动侦测、振动侦测、自由落下侦测，在生产生活中所应用各种侦测时加速度传感器起着至关重要的作用，从而广泛应用于自动化控制、检测、军工、消费工业、电子工业，汽车工业等。在民用领域，MEMS加速度计和MEMS陀螺仪的需求如表4所示：汽车工业是MEMS惯性传感器的一个巨大市场。随着用户对汽车的安全性、舒适性、燃油经济型等要求的不断提高，汽车上使用的传感器也越来越多。在汽车最主要的应用有：提高安全性能。例如MEMS加速度计可用于防碰撞气囊。 提高动态性能和操作性。MEMS加速度计可用于有源悬挂系统，陀螺仪可用于ABS系统。 汽车导航等。消费电子有其自身的特点,尤其是便携式设备总在要求其元器件体积小、功低,功能却不能少。随着MEMS产业的发展，越来越多的MEMS产品被用到消费电子领域，MEMS加速度计就是一个实例。例如笔记本电脑开发出了MEMS加速度传感器的新用途,将加速度计集成在电脑的电路中，当电脑急速下坠时,硬盘会迅速停止读写,避免撞击引起的数据损失。还有将一个双轴加速度传感器被放置到普通的手机里以后,就可以完全取代上下左右四个方向键,只要晃一晃,光标就会随心所欲的移动。如果带摄像头的手机应用这项技术,可以自动监测重力方向,让横拍或是竖拍的照片在浏览时都能以正确的方向显示。MEMS加速度计在消费电子领域的应用可以说非常广泛，只是需要我们运用自己的创造力和想象力去实现。二 硅电容式加速度传感器硅微电容式加速度传感器的敏感部分设计为梳齿结构，如图1所示：敏感原件由活动部分A、B和固定电极三部分组成。其中，活动部分由超静定梁、质量块以及和质量块相连的活动电极组成。整个分为A、B两部分，固定电极分为a,b。固定电极a与上半部分活动电极组成电容Ca，固定电极a与下半部分活动电极组成电容Cb。设计时，将上、下板不同区域的电极的引线分开，可根据需要将其短接或者分开。当有加速度输入时，惯性力使得活动极板产生一个偏角，使电容器C1的电容量增加 ，C2的电容量减小，通过线路转换，把电容器C1，C2的电容量转换成电信号，经相敏放大后把输出电压反馈到电容静电力矩器，电容力矩器产生的静电力矩与惯性力矩平衡，使活动质量块保持在原有的平衡位置，通过反馈电压的正负和大小来度量输入加速度的方向和大小。硅电容式 加速度计的工作原理如下图所示： 在受到加速度作用时，在惯性力-ma作用下，检测质量块在z方向运动。这使动极板两侧的电容Ca、Cb发生了变化。两侧电容的差值经激励正弦信号调制，由电容检测器检出。该信号经交流放大器放大，调整，反馈到中间极板，由其在电容器极板间产生静电力，此静电力的力矩使检测质量块保持在零位。它与加速度作用所引入的力矩大小相等，方向相反。当系统处于平衡时，惯性力与反馈力平衡，就其大小来说F=ma。若视电容为理想平板电容，上下电容间隙相等，则静电反馈力为：a-惯性加速度；m-质量块质量；d-电容板间隙；s-电容极板面积；e-介电常数；Vdc-直流偏压。所以k为常数，表明加速度与反馈电压成正比，这意味着传感器输出线性地反映了其感受的加速度大小。参考文献：1.李天俊；刘理天；杨景明 新型硅微加速度传感器的设计与制作期刊论文1999.2.朱长纯；刘君华 新型MEMS加速度传感器1998.3.张晓玉 加速度传感器在汽车安全技术中的应用期刊论文2010.4.雷昕；谢劲松 MEMS惯性传感器可靠性试验方法研究2009.5.郑志霞；陈军 基于MEMS加速度位传感器制作工艺以及测试2007.6.苏君 王占平 基于MEMS加速度传感器的倾角设计方法期刊论文2006.7.刘晓宇 半导体传感器 哈尔滨工业大