MEMS加速度计

1、重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心1MEMS加速度计加速度计2021年年12月月13日日重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心2应用领域应用领域 机械特性检测机械特性检测 土木结构状态监测土木结构状态监测 汽车汽车 机器人机器人 自动化自动化 地震记录地震记录 汽车汽车 结构主动控制结构主动控制 卫星导航卫星导航 武器制导武器制导 玩具玩具 重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心3加速度计的精度与价格加速度计的精度与价格重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心4MEMS加速度计的特点加速度计的特点 尺寸小尺寸小 重量轻重量轻 成本低成本低 易集成易集成 功耗小

2、功耗小 据专家预测，据专家预测，MEMS加速度计在不久的将来有可能独加速度计在不久的将来有可能独占中低精度的加速度计市场的潜力。占中低精度的加速度计市场的潜力。重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心5基本原理基本原理makxxcxmrrr m加速度测量方向读出传感器壳体检测质量阻尼器弹簧质量块运动方程质量块运动方程无阻尼固有频率无阻尼固有频率mk0mkc221Q拉氏变换得传递函数的幅值和拉氏变换得传递函数的幅值和相位分别为相位分别为202220)/()(1)()()(QAXHr22001tanQ阻尼比阻尼比品质因子品质因子重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心6基本原理基本原理

3、 传递函数幅值传递函数幅值由图可见，为提高灵敏度，由图可见，为提高灵敏度，需要降低固有频率。需要降低固有频率。降低固有频率有两个方案：降低固有频率有两个方案：降低刚度或增大质量。降低刚度或增大质量。重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心7基本原理基本原理 在单位阶跃加速度在单位阶跃加速度 作用下的响应为作用下的响应为 0100)(ttta由图可见，对于开环由图可见，对于开环加速度传感器，为提加速度传感器，为提高响应速度，传感器高响应速度，传感器应该具有较大的阻尼应该具有较大的阻尼比（即小品质因子）。比（即小品质因子）。若采用力反馈控制，若采用力反馈控制，由于相对位移基本被由于相对位移基

4、本被控制在零位，可以采控制在零位，可以采用小阻尼或大品质因用小阻尼或大品质因子。子。其中重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心8加速度计的性能指标加速度计的性能指标 量程量程 灵敏度：灵敏度： 降低刚度降低刚度 增加质量增加质量 动态范围动态范围 提高加速度计的固有频率，但这与提高灵敏度有矛盾。提高加速度计的固有频率，但这与提高灵敏度有矛盾。 反应时间反应时间 提高固有频率提高固有频率重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心9工作原理工作原理 压阻式压阻式 压电式压电式 电容式电容式 谐振式谐振式 隧穿式隧穿式 热对流式热对流式 重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心10

5、半导体的压阻效应（半导体的压阻效应（piezoresistivity）电阻电阻 为电阻率为电阻率取取 ，得，得重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心11半导体的压阻效应半导体的压阻效应(piezoresistivity) 金属应变片金属应变片(电阻率不随应变而变化电阻率不随应变而变化) 应变灵敏度系数应变灵敏度系数12（即（即 ） 对晶体材料，电阻率与应变有关，定义压阻系数：对晶体材料，电阻率与应变有关，定义压阻系数： 表示单位应力电阻率的相对变化，则应变灵敏度系数为表示单位应力电阻率的相对变化，则应变灵敏度系数为 重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心12半导体的压阻效应半导

6、体的压阻效应常用压阻材料：常用压阻材料： p+或或n+多晶硅多晶硅 金属金属重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心13压阻式加速度计压阻式加速度计 读出电路非常简单 压敏电阻制作难度大 温度系数大 灵敏度不高重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心14压阻式加速度计（一）压阻式加速度计（一）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心15压阻式加速度计压阻式加速度计（一）（一）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心16压阻式加速度计压阻式加速度计（一）（一）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心17压阻式加速度计压阻式加速度计（一）（一）重庆大学重庆大学 微系统

7、研究中心微系统研究中心18压阻式加速度计压阻式加速度计（二）（二）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心19压阻式加速度计压阻式加速度计（二）（二）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心20压阻式加速度计压阻式加速度计（三）（三）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心21压阻式加速度计压阻式加速度计（三）（三）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心22压阻式加速度计压阻式加速度计（三）（三）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心23压阻式加速度计压阻式加速度计（三）（三）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心24半导体的压电效应半导体的压电效应(

8、piezoelectricity) 压电效应是居里夫妇于1880年发现的 压电效应：某些材料在机械力作用下产生变形,会引起表面带电的现象,而且其表面电荷密度与应力成正比 重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心25半导体的压电效应半导体的压电效应施加力施加力F3时，产生电荷时，产生电荷电压为电压为更完整的表达式更完整的表达式其中其中 分别为分别为应力、应变、场强和电应力、应变、场强和电位移；位移； 分别分别为刚度矩阵、介电常数为刚度矩阵、介电常数矩阵和压电常数矩阵矩阵和压电常数矩阵重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心26半导体的压电效应半导体的压电效应 常用压电材料常用压电材料

9、 石英晶体石英晶体 PZT ZnO 重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心27压电式加速度计压电式加速度计 结构简单 无法测直流（常加速度） 温度系数较大重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心28 ZnO压电层压电层压电式加速度计（一）压电式加速度计（一）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心29压电式加速度计（一）压电式加速度计（一）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心30压电式加速度计（一）压电式加速度计（一）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心31压电式加速度计（二）压电式加速度计（二）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心32压电式加

10、速度计（三）压电式加速度计（三）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心33压电式加速度计（三）压电式加速度计（三）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心34压电式加速度计（三）压电式加速度计（三）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心35电容式电容式(Capacitor) 运动导致电容的变化运动导致电容的变化重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心36电容电容0 x电容为其中 分别为空气的介电常数和两电极的正对面积。电容的变化与位移不成正比，非线性较强。电容的相对变化为令若初始偏移为 ,则当 时,00bLCd0 xL 00 xxCCL 线性度比较好。梳齿电容器的电

11、容与位移的线性度很好，得到广泛的应用。重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心37电容式加速度计电容式加速度计 敏感器件制作简单 不受温度影响 读出电路复杂 易受寄生参数影响 非线性重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心38电容式加速度计（一）电容式加速度计（一）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心39电容式加速度计电容式加速度计（一）（一）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心40电容式加速度计电容式加速度计（一）（一）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心41电容式加速度计电容式加速度计（一）（一）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心42电

12、容式加速度计（二）电容式加速度计（二）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心43电容式加速度计（二）电容式加速度计（二）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心44电容式加速度计（二）电容式加速度计（二）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心45电容式加速度计（三）电容式加速度计（三）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心46电容式加速度计（三）电容式加速度计（三）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心47电容式加速度计（三）电容式加速度计（三）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心48电容式加速度计（四）电容式加速度计（四）重庆大学重庆大学 微系

13、统研究中心微系统研究中心49 边缘场影响边缘场影响电容式加速度计（四）电容式加速度计（四）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心50电容式加速度计（四）电容式加速度计（四）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心51电容式加速度计（四）电容式加速度计（四）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心52谐振式（谐振式（Resonator） 运动方程运动方程 无阻尼频率无阻尼频率 有阻尼频率有阻尼频率 其中其中 当质量、刚度、阻尼改变时，系统的频率随之变化，反之，当质量、刚度、阻尼改变时，系统的频率随之变化，反之，可由频率的变化反推这些物理量的变化可由频率的变化反推这些物理量的变

14、化 刚度改变可由附加物质、边界条件和内应力引起刚度改变可由附加物质、边界条件和内应力引起 质量和阻尼的变化可由附加物质、外部环境引起质量和阻尼的变化可由附加物质、外部环境引起mxcxkxF12kfm21Dff4cmf重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心53弯曲频率随轴力的变化弯曲频率随轴力的变化 轴力导致梁或膜弯曲刚度的变化，进而引起弯曲频率的轴力导致梁或膜弯曲刚度的变化，进而引起弯曲频率的变化变化 矩形截面的两端固支梁在轴力矩形截面的两端固支梁在轴力N左右下的弯曲频率为左右下的弯曲频率为 其中其中w、h和和l分别为梁的宽度、厚度和长度，分别为梁的宽度、厚度和长度，E和和 分别分别为

15、材料的弹性模量和泊松比，为材料的弹性模量和泊松比，n表示频率的阶数，表示频率的阶数， 表表示第示第n阶无轴力频率，其值为阶无轴力频率，其值为 系数系数 和和 见下表见下表)hl)(wh)(nnn2110)(n0)1(120222Elh)(nnnn重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心54两端固支梁频率计算系数两端固支梁频率计算系数模态模态14.7300.294927.8540.1453311.000.08119414.140.05155517.280.03553nn重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心55谐振式加速度计谐振式加速度计 （可用电阻热激振和压阻感知）（可用电阻热激

16、振和压阻感知） 直接数字输出直接数字输出 潜在的高精度：电漂移和热噪声影响小潜在的高精度：电漂移和热噪声影响小m振梁a重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心56谐振式加速度计谐振式加速度计(一一)重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心57谐振式加速度计谐振式加速度计(一一)重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心58谐振式加速度计（二）谐振式加速度计（二）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心59谐振式加速度计（二）谐振式加速度计（二）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心60谐振式加速度计（二）谐振式加速度计（二）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研

17、究中心61谐振式加速度计（二）谐振式加速度计（二）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心62谐振式加速度计（二）谐振式加速度计（二）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心63 基于热激励和压阻感知基于热激励和压阻感知 工作原理工作原理谐振式加速度计（三）谐振式加速度计（三）传感器照片传感器照片激振与检测部分激振与检测部分重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心64 质量块质量块400um400um，弹性支承梁，弹性支承梁30um130um，铰铰4um8um，感知与激励梁，感知与激励梁200um3um。 结构一阶频率约结构一阶频率约17kHz。 空气中的品质因子约空气中的品

18、质因子约100，在，在0.01mbar下的品质因子约为下的品质因子约为60000。谐振式加速度计（三）谐振式加速度计（三）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心65 第一个样品灵敏度约第一个样品灵敏度约70Hz/g，带宽带宽10kHz，分辨率，分辨率0.1g； 第二个样品灵敏度约第二个样品灵敏度约45Hz/g。谐振式加速度计（三）谐振式加速度计（三）重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心66隧穿式（隧穿式（TunnelingTunneling） 在一定的电压作用下，隧穿电流为在一定的电压作用下，隧穿电流为 其中其中 为归一化电流，为归一化电流， 为隧道势垒为隧道势垒 高度，高度

19、， 为隧尖到电极之间的距离，为隧尖到电极之间的距离， 为转换系数。为转换系数。 可根据隧穿电流检测隧尖与电极之间的距离。可根据隧穿电流检测隧尖与电极之间的距离。 典型初始间距约典型初始间距约1nm，间距变化，间距变化0.01nm时，隧道电流时，隧道电流的相对变化量达的相对变化量达4.5%。0Iz重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心67隧道加速度计隧道加速度计 极高的灵敏度极高的灵敏度 低频噪音大（低频噪音大（1/f噪声）噪声） 必须闭环工作（工艺必须闭环工作（工艺难度、线性度、量程）难度、线性度、量程） 重复性、一致性差重复性、一致性差ma硅尖重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心68隧道加速度（一隧道加速度（一)重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心69隧道加速度（一隧道加速度（一)重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心70隧道加速度（一隧道加速度（一)重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心71隧道加速度（二隧道加速度（二)重庆大学重庆大学 微系统研究中心微系统研究中心72隧道加速度（三隧道加速度（三)重庆