MEMS加速度计分析课件

1、MEMS加速度计第1页，共26页。加速度计是一种惯性传感器，能够测量物体的加速力。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就比如地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)加速度计就是使用MEMS技术制造的加速度计。由于采用了微机电系统技术，使得其尺寸大大缩小，一个MEMS加速度计只有指甲盖的几分之一大小。MEMS加速度计具有体积小、重量轻、能耗低等优点。第2页，共26页。CONTENTS目录MEMS加速度计工作原理1MEMS加速度计的类型2MEMS加速度计应用3MEMS加速度计的研究难题（国

2、内）4MEMS加速度计的发展趋势5第3页，共26页。一、MEMS加速度计工作原理靠MEMS中可移动部分的惯性。由于中间电容板质量很大，且是一种悬臂结构，当速度变化或加速度达到足够大时，它所受的惯性力超过固定或支撑它的力，这时它会移动，它和上下电容板之间的距离也因此改变。电容的变化和加速度成正比。依据不同应用，中间电容板悬臂结构的强度或弹性系数设计也不同，且不同方向的加速度也会使MEMS结构有很大的不同。电容的变化会由另一晶片转或成电压讯号，有时也会把电压讯号放大。讯号再经转化处理，在零点和灵敏度校正后输出。第4页，共26页。二、MEMS加速度计的类型压阻式微加速度计电容式微加速度计扭摆式微加速

3、度计隧道式微加速度计第5页，共26页。压阻式微加速度计压阻式微加速度计是由悬臂梁和质量块以及布置在梁上的压阻组成，横梁和质量块常为硅材料。当悬臂梁发生变形时，其固定端一侧变形量最大，故压阻薄膜材料就被布置在悬臂梁固定端一侧（如图1所示）。当有加速度输入时，悬臂梁在质量块受到的惯性力牵引下发生变形，导致固连的压阻膜也随之发生变形，其电阻值就会由于压阻效应而发生变化，导致压阻两端的检测电压值发生变化，从而可以通过确定的数学模型推导出输入加速度与输出电压值的关系。压电式微加速度计是最早出现的微加速度计，其优点是：结构简单，芯片的制作相对容易，并且接口电路易于实现。其缺点是：温度系数比较大，对温度比较

4、敏感；和其他原理微加速度计相比，其灵敏度比较低，蠕变和迟滞效应比较明显。第6页，共26页。第7页，共26页。电容式微加速度计电容式微加速度计是最常见的，也有成熟推广的产品。其基本原理就是将电容作为检测接口，来检测由于惯性力作用导致惯性质量块发生的微位移。质量块由弹性微梁支撑连接在基体上，检测电容的一个极板一般配置在运动的质量块上，一个极板配置在固定的基体上。图2所示为典型的三明治结构的平板电容式微加速度计。还有AD 公司开发的电容式微加速度计采用梳齿阵列电容作为检测接口。电容式微加速度计的灵敏度和测量精度高、稳定性好、温度漂移小、功耗极低，而且过载保护能力较强；能够利用静电力实现反馈闭环控制，

5、显著提高传感器的性能。第8页，共26页。第9页，共26页。扭摆式微加速度计扭摆式微加速度计的敏感单元是不对称质量平板，通过扭转轴与基座相连，基座上表面布置有固定电极，敏感平板下表面有相应的运动电极，形成检测电容(如图3) 。当有加速度作用时，不对称平板在惯性力作用下，将发生绕扭转轴的转动。转动角与加速度成比例关系，可用下式表示： maL = K。式中， a 为输入加速度；L 为质量平板质心到支撑轴转动中心的距离；K 为支撑轴的扭转刚度系数；为平板的扭转角。当质量平板发生偏移时，可以利用电容的静电力来调节平板的偏转角度，提高系统的测量范围，改善系统的动态特性。其基本特点与电容式类似。第10页，共

6、26页。隧道式微加速度计隧道效应就是平板电极和隧道针尖电极距离达到一定的条件，可以产生隧道电流。由J.G.Simmons 推导的隧道电流和针尖与下电极之间的距离关系可以描述为： I Vexp ( -kx)。式中，V 为施加在电极两端的电压；为有效势垒高度；x 为电极间隙；k为常数。 这样可以看出，隧道电流与极板之间的间隙 x 呈负指数关系。隧道式微加速度计常用悬臂梁或者双端固支梁支撑惯性质量块，质量块在惯性力的作用下，位置将发生偏移，这个偏移量直接影响到隧道电流的变化，通过检测隧道电流变化量来间接检测加速度值。系统的典型结构示意图如图4 所示。第11页，共26页。第12页，共26页。三、MEM

7、S加速度计应用MEMS传感器在汽车产业中的应用 MEMS 运动传感器在移动电话中的应用 光标或游戏机控制 导航 磁盘驱动器保护 MEMS加速度计在鼠标的应用第13页，共26页。MEMS传感器在汽车产业中的应用1、汽车发动机控制用传感器 11 温度传感器 12 压力传感器 13 流量传感器 14 位置和转速传感器 15 气体浓度传感器 16 爆震传感器 17 节气门位置传感器第14页，共26页。MEMS传感器在汽车产业中的应用2 、安全系统方面用传感器21 微加速度传感器22 表面微机械陀螺 23 车辆监控和自诊断用传感器 24 高温微电子在汽车中的应用第15页，共26页。17 节气门位置传感器

8、节气门位置传感器安装在节气门上，其功能是将发动机节气门的开度信号转变成电信号，并传递给电子控制单元，用以感知发动机的负荷大小和加减速工况。最常用的是可变电阻式节气门位置传感器。该传感器是一种典型的节气门传感器，主要由一个线形变位器和一个怠速触点两部分组成。电阻变位器用陶瓷薄膜电阻制成，滑动触点用复位弹簧控制，与节气门同轴转动。工作时，线形变位器的触点在电阻体上滑动，根据变化的电阻值，可以测得与节气门开度成正比的线性输出电压信号。根据输出电压值，电子控制单元可获知节气门的开度和开度变化率，从而精确判断发动机的运行工况，提高控制精度和效果。怠速信号滑动触点是常开触点，只有在节气门全闭时才闭合，产生

9、怠速触点信号，主要用于怠速控制及点火提前角的修正。第16页，共26页。24 高温微电子在汽车中的应用高温微电子在汽车发动机控制、气缸和排气管、电子悬架和刹车、动力管理及分配等方面的监控中都起着非常重要的作用。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燃烧的更好监测和控制，它将使燃烧的更加彻底，提高燃烧效率。但是，用传统的硅半导体技术制作的微电子器件由于不能在很高的温度下工作，已不能胜任。为了解决在高温环境下温度测量问题，必须研制一种新的材料来取代传统的半导体材料。第三代宽能带半导体材料Sic具有高击穿电场、高饱和电子漂移速率、高热导率及抗辐照能力强等一系列优点。特别适合制作高温、高

10、压、高功率、耐辐照等半导体器件。集成的Sic传感器可以直接与高温油箱和排气管接触。这样，能进一步获得有关燃料效率和减少废气排放的更多信息。研究表明，一旦Sic半导体技术能解决好材料、封装等技术而得到进一步的发展，Sic功率器件的工作范围将超过传统的硅功率器件，而且，其体积比Si功率器件也要小。由于汽车传感器在汽车电子控制系统中的重要作用和快速增长的市场需求，世界各国对其理论研究、新材料应用和新产品开发都非常重视。未来的汽车用传感器技术，总的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。第17页，共26页。MEMS 运动传感器在移动电话中的应用1、光标或游戏机控制2、动态显示配置3、导航4、计步器

11、5、磁盘驱动器保护第18页，共26页。光标或游戏机控制加速度计可作为控制系统光标的输入或者游戏机的输入。左右倾斜或前后翻倒移动电话可左右或上下移动屏幕上的光标。这种功能是大家熟知的并且已被集成到几个独立的游戏机（例如任天堂公司的滚滚卡比游戏）和游戏控制器（例如微软公司的Freestyle Pro控制器）中。跳跃动作还引入了第三个轴（Z轴）。与大多数移动电话中采用的标准8位置控制不同，加速度计能提供可变的（模拟）控制。用户手机倾斜的越大，光标移动速度越快。由于采用倾斜作为一种模拟信号输入并且与电话键盘输入方式相结合，所以可用一只手完成复杂的输入组合。第19页，共26页。导航集成的全球定位系统（G

12、PS）或基站的三角网能用来确定移动电话的位置。但是利用现有的这种小显示屏。对于用来完整显示用户前面的环境是非常有利的。正常情况下采用电子式指南针确定机首方位，但是指南针必须与地球表面保持平行以便使机首方位误差小。这种误差依赖于到地球的地磁赤道的距离变化。例如在北京，指南针与地球表面平行方向每偏离1度，会导致3度的机首方位误差。当用户使用移动电话时，指南针可能倾斜于水平面方向成45度，从而会产生很大的机首方位误差。可使用加速度计能用来确定手机（和指南针）相对地球表面的实际方位以补偿这种误差。第20页，共26页。磁盘驱动器保护 第21页，共26页。MEMS加速度计在鼠标的应用第22页，共26页。四

13、、MEMS加速度计的研究难题（国内）(1)微结构的振动质量比较小，产生的输出信号非常微弱，基本上与机械噪声以及电噪声同数量级，因此弱电量检测以及噪声抑制成为提高加速度计性能的难题; (2)微结构的迟滞和温漂是影响微加速度计精度的重要因素，如何改善结构减小迟滞效应，采取措施降低温漂的影响，是微加速度计实用化的重要课题; (3)微加速度计存在明显的横向干扰，如何采用合理的结构实现结构在各方向解耦，并且通过合理布置检测单元，实现对横向干扰的抑制，也是研究的重要内容; (4)除了基于半导体平面工艺的特殊结构电容式加速度计成本较低，利于批量生产外（例如AD公司的微加速度计系列），其他原理的加速度计的制作成本相对较高，不利于批量生产; 第23页，共26页。五、MEMS加速度计的发展趋势(1)高分辨率和大量程的微硅加速度计成为研究的重点。由于惯性质量块比较小，所以用来测量加速度和角速度的惯性力也相应比较小，系统的灵敏度相对较低，这样开发出高灵敏度的加速度计显得尤为重要。无论是民用还是军事用途，精度高、量程大的微加速度计将会大大拓宽其运用范围。(2)温漂小、迟滞效应小成为新的性能目标，选择合适的材料，采用合理的结构，以及应用新的低成本温度补偿环节，能够大幅度提高微加速度计的精度。 (3)多轴加速度计的开发成为新的方向。已经有文献报道开发出三轴微硅加速度计，但是其性能离实用还有一段距离，多轴加速度