MEMS加速度计分析.ppt

微机电加速度计是一种惯性传感器，可以测量物体的加速度。加速力是在加速过程中作用在物体上的力，例如地球的重力，即重力。加速力可以是常数，如g，也可以是变量。微机电系统加速度计是使用微机电系统技术制造的加速度计。由于采用了微机电系统技术，它的尺寸大大减小，微机电系统加速度计的尺寸仅为手指甲盖的一小部分。MEMS加速度计具有体积小、重量轻、能耗低等优点。内容、内容、微机电加速度计的工作原理，1、微机电加速度计的类型，2、微机电加速度计的应用，3、微机电加速度计的研究问题(国内)，4、微机电加速度计的发展趋势，5、1、微机电加速度计的工作原理，依靠微机电系统中可动部件的惯性。因为中间电容器板具有大质量并且是悬臂结构，当速度变化或加速度达到足够大时，它接收的惯性力超过固定或支撑它的力，然后它将移动，并且它与上下电容器板之间的距离将相应地改变。电容的变化与加速度成正比。根据不同的应用，中间电容板的悬臂结构的强度或弹性系数设计也不同，并且不同方向的加速度也使得微机电系统结构非常不同。电容的变化会被另一个芯片转换成电压信号，有时电压信号会被放大。然后信号被转换，并在零点和灵敏度校正后输出。MEMS加速度计电容式微加速度计扭摆式微加速度计隧道式微加速度计压阻式微加速度计压阻式微加速度计由悬臂梁、质量块和布置在梁上的压阻组成，梁和质量块通常由硅材料制成。悬臂梁变形时，固定端侧的变形最大，因此压阻薄膜材料设置在悬臂梁的固定端侧(如图1所示)。当有加速度输入时，悬臂梁在质量块惯性力的牵引下变形，导致压阻薄膜变形。悬臂梁的电阻值会因压阻效应而改变，导致压阻两端的检测电压值发生变化。因此，输入加速度和输出电压值之间的关系可以通过确定的数学模型来推导。压电微加速度计是最早的微加速度计。其优点是：结构简单，芯片制作相对容易，接口电路容易实现。其缺点是：温度系数较大，对温度敏感；与其他原理的微加速度计相比，它的灵敏度较低，蠕变和滞后效应更加明显。电容式微加速度计，电容式微加速度计是最常见的，也有成熟的产品。其基本原理是利用电容作为检测接口，检测惯性力引起的惯性质量的微小位移。质量块由弹性微珠支撑并连接到基板上，用于检测电容的一个极板通常设置在移动质量块上，一个极板设置在固定基板上。图2示出了典型的夹层结构平板电容微加速度计。另外，AD公司开发的电容式微加速度计采用梳状阵列电容作为检测接口。电容式微加速度计灵敏度高，测量精度高，稳定性好，温漂小，功耗极低，过载保护能力强。利用静电力可以实现反馈闭环控制，传感器性能明显提高。扭摆微加速度计是扭摆微加速度计的敏感元件，它是一个不对称的质量板，通过一个扭转轴与基座相连。底座的上表面设有固定电极，敏感板的下表面设有相应的移动电极，形成检测电容(如图3所示)。当有加速度时，非对称板将在惯性力的作用下绕扭转轴旋转。旋转角度与加速度成比例，可由以下公式表示：maL=K。其中，a是输入加速度；l是与t的距离它的基本特性类似于电容。在隧道式微加速度计中，隧道效应是指平板电极和隧道尖端电极之间的距离达到一定的条件，从而产生隧道电流。西蒙斯推导出的隧道电流与针尖和下电极之间距离的关系可以描述为IVexp(-kx)。其中，V是施加在电极上的电压；是有效电势的基本高度；x是电极间隙；k是常数。因此，可以看出隧道电流与板之间的间隙x成负指数关系。隧道微加速度计通常使用悬臂梁或双端固定支撑梁来支撑惯性质量。在惯性力的作用下，质量会发生位置偏移，这将直接影响隧道电流的变化。通过检测隧道电流的变化来间接检测加速度值。该系统的典型结构图如图4所示。微机电系统加速度计的应用微机电系统传感器在汽车工业中的应用微机电系统运动传感器在移动电话中的应用光标或游戏控制导航盘驱动器保护微机电系统加速度计在鼠标中的应用，微机电系统传感器在汽车工业中的应用，1。汽车发动机控制传感器1.1温度传感器1.2压力传感器1.3流量传感器1.4位置和速度传感器1.5气体浓度传感器1.6爆震传感器1.7节气门位置传感器，微机电系统传感器在汽车工业中的应用。2.传感器2.1用于安全系统，2.2用于微加速度传感器，2.2用于表面微机械陀螺仪，2.3用于车辆监控和自诊断，2.4用于汽车高温微电子应用，1.7用于安装在节气门上的节气门位置传感器。它们的功能是将发动机节气门的开启信号转换成电信号，并将其传输至电子控制单元，以检测发动机的负载大小和加速/减速工况。最常用的是可变电阻节气门位置传感器。该传感器是一种典型的节气门传感器，主要由线性换档器和怠速触点组成。电阻器位移由陶瓷膜电阻器制成，滑动触点由回位弹簧控制，并与节流阀同轴旋转。在操作期间，线性位移装置的触点在电阻器本体上滑动，并且根据改变的电阻值可以测量与节气门开度成比例的线性输出电压信号。根据输出电压值，电子控制单元可以知道节气门开度和开度的变化率，从而准确判断发动机的运行状况，提高控制精度和效果。怠速信号滑动触点是常开触点，仅在节气门完全关闭时关闭，产生怠速接触信号，主要用于怠速控制和点火提前角的校正。2.4高温微电子技术在汽车中的应用。高温微电子技术在汽车发动机控制、气缸和排气管、电子悬架和制动器、电源管理和分配等方面发挥着非常重要的作用。例如，用于发动机控制的高温微电子传感器和控制器将有助于更好地监测和控制燃烧，这将使燃烧更加彻底并提高燃烧效率。然而，由传统硅半导体技术制成的微电子器件不再适用，因为它们不能在非常高的温度下工作。为了解决高温环境下的温度测量问题，必须开发一种新的材料来代替传统的半导体材料。第三代宽带半导体材料碳化硅具有击穿电场高、饱和电子漂移率高、热导率高、抗辐射能力强等一系列优点。特别适用于制造高温、高压、高功率、抗辐射等半导体器件。集成的Sic传感器可以直接与高温油箱和排气管接触。这样，可以进一步获得关于燃料效率和减少废气排放的更多信息。研究表明，一旦碳化硅半导体技术能够解决材料、封装等技术问题并得到进一步发展，碳化硅功率器件的工作范围将超过传统的硅功率器件，其体积将小于硅功率器件。由于重要的控制在移动电话1、光标或游戏机控制2、动态显示配置3、导航4、计步器5、磁盘驱动器保护、光标或游戏机控制、加速度计中的微机电系统运动传感器的应用可以用作控制系统光标或游戏机输入的输入。手机可以左右或上下移动屏幕上的光标。这个功能是众所周知的，并且已经集成到几个独立的游戏控制台(例如任天堂的滚动卡游戏)和游戏控制器(例如微软的FreestylePro控制器)中。跳跃动作还引入了第三个轴(z轴)。与大多数手机中使用的标准8位控制不同，加速度计可以提供可变(模拟)控制。用户的手机倾斜得越大，光标移动得就越快。因为倾斜被用作模拟信号输入，并且与电话键盘输入模式相结合，所以可以用一只手完成复杂的输入组合。导航、综合全球定位系统(全球定位系统)或三角形基站网络可用于确定移动电话的位置。但是，使用现有的小显示屏。完全在用户面前展示环境是非常有利的。在正常情况下，使用电子罗盘来确定航向，但罗盘必须与地球表面平行，以使航向误差较小。这个误差取决于到地球地磁赤道的距离变化。例如，在北京，罗盘和地球表面的平行方向每偏离1度，就会导致3度的航向方位角误差。当用户使用移动电话时，指南针可能会相对于水平面倾斜45度，从而导致较大的头部方位误差。加速度计可用于确定手机(和指南针)相对于地球表面的实际方位，以补偿这一误差。(1)微结构的振动质量相对较小，产生的输出信号非常微弱，与机械噪声和电噪声的数量级基本相同。因此，微弱电流检测和噪声抑制成为提高加速度计性能的难题。(2)微结构的滞后和温度漂移是影响微加速度计精度的重要因素。如何改进结构以减小磁滞效应，并采取措施减小温度漂移的影响，是微加速度计实际应用中的重要问题。(3)微加速度计存在明显的横向干扰。如何用合理的结构实现结构的全方位解耦，如何通过合理布置检测单元来抑制横向干扰也是研究的重要内容。(4)除了基于半导体平面技术的特殊结构的电容加速度计成本较低，有利于大规模生产外(如AD公司的微加速度计系列)，其他原理的加速度计制造成本相对较高，不利于大规模生产；MEMS加速度计的发展趋势(1)高分辨率、大范围的微硅加速度计已成为研究热点。因为惯性质量相对较小，所以用于测量加速度和角速度的惯性力相对较小，并且系统的灵敏度相对较低。因此，开发高灵敏度加速度计尤为重要。无论是民用还是军用，高精度、大量程的微加速度计将大大拓宽其应用范围。(2)小的温度漂移和小的滞后效应成为新的性能指标。选择合适的材料，采用合理的结构，采用新型低成本温度补偿环节，可以大大提高微加速度计的精度。(3)多轴加速度计的发展已经成为一个