MEMS加速度計

1、MEMSMEMS加速度計加速度計加速度計是一種慣性傳感器，能夠測量物體的加加速度計是一種慣性傳感器，能夠測量物體的加速力。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物速力。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力，就比如地球引力，也就是重力。加速體上的力，就比如地球引力，也就是重力。加速力可以是個常量，比如力可以是個常量，比如g g，也可以是變量。，也可以是變量。MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)加速加速度計就是使用度計就是使用MEMSMEMS技術(shù)制造的加速度計。由于采技術(shù)制造的加

2、速度計。由于采用了微機電系統(tǒng)技術(shù)，使得其尺寸大大縮小，一用了微機電系統(tǒng)技術(shù)，使得其尺寸大大縮小，一個個MEMSMEMS加速度計只有指甲蓋的幾分之一大小。加速度計只有指甲蓋的幾分之一大小。MEMSMEMS加速度計具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)加速度計具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點。點。CONTENTS目錄MEMS加速度計工作原理1MEMS加速度計的類型2MEMS加速度計應(yīng)用3MEMS加速度計的研究難題（國內(nèi)）4MEMS加速度計的發(fā)展趨勢5一、一、MEMSMEMS加速度計工作原理加速度計工作原理靠靠MEMSMEMS中可移動部分的慣性。由于中間電容板質(zhì)量很大，中可移動部分的慣性。由于中間電容板質(zhì)量

3、很大，且是一種懸臂結(jié)構(gòu)，當(dāng)速度變化或加速度達到足夠大時，且是一種懸臂結(jié)構(gòu)，當(dāng)速度變化或加速度達到足夠大時，它所受的慣性力超過固定或支撐它的力，這時它會移動，它所受的慣性力超過固定或支撐它的力，這時它會移動，它和上下電容板之間的距離也因此改變。電容的變化和它和上下電容板之間的距離也因此改變。電容的變化和加速度成正比。加速度成正比。依據(jù)不同應(yīng)用，中間電容板懸臂結(jié)構(gòu)的強度或彈性系數(shù)依據(jù)不同應(yīng)用，中間電容板懸臂結(jié)構(gòu)的強度或彈性系數(shù)設(shè)計也不同，且不同方向的加速度也會使設(shè)計也不同，且不同方向的加速度也會使MEMSMEMS結(jié)構(gòu)有很結(jié)構(gòu)有很大的不同。大的不同。電容的變化會由另一晶片轉(zhuǎn)或成電壓訊號，有時也會把電

4、容的變化會由另一晶片轉(zhuǎn)或成電壓訊號，有時也會把電壓訊號放大。訊號再經(jīng)轉(zhuǎn)化處理，在零點和靈敏度校電壓訊號放大。訊號再經(jīng)轉(zhuǎn)化處理，在零點和靈敏度校正后輸出。正后輸出。二、二、MEMSMEMS加速度計的類型加速度計的類型壓阻式微加速度計壓阻式微加速度計電容式微加速度計電容式微加速度計扭擺式微加速度計扭擺式微加速度計隧道式微加速度計隧道式微加速度計壓阻式微加速度計壓阻式微加速度計壓阻式微加速度計是由懸臂梁和質(zhì)量塊以及布置在梁上的壓阻式微加速度計是由懸臂梁和質(zhì)量塊以及布置在梁上的壓阻組成，橫梁和質(zhì)量塊常為硅材料。當(dāng)懸臂梁發(fā)生變形壓阻組成，橫梁和質(zhì)量塊常為硅材料。當(dāng)懸臂梁發(fā)生變形時，其固定端一側(cè)變形量最大

5、，故壓阻薄膜材料就被布置時，其固定端一側(cè)變形量最大，故壓阻薄膜材料就被布置在懸臂梁固定端一側(cè)（如圖在懸臂梁固定端一側(cè)（如圖1 1所示）。當(dāng)有加速度輸入時，所示）。當(dāng)有加速度輸入時，懸臂梁在質(zhì)量塊受到的慣性力牽引下發(fā)生變形，導(dǎo)致固連懸臂梁在質(zhì)量塊受到的慣性力牽引下發(fā)生變形，導(dǎo)致固連的壓阻膜也隨之發(fā)生變形，其電阻值就會由于壓阻效應(yīng)而的壓阻膜也隨之發(fā)生變形，其電阻值就會由于壓阻效應(yīng)而發(fā)生變化，導(dǎo)致壓阻兩端的檢測電壓值發(fā)生變化，從而可發(fā)生變化，導(dǎo)致壓阻兩端的檢測電壓值發(fā)生變化，從而可以通過確定的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出輸入加速度與輸出電壓值的以通過確定的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出輸入加速度與輸出電壓值的關(guān)系。壓電式微加速度

6、計是最早出現(xiàn)的微加速度計，其優(yōu)關(guān)系。壓電式微加速度計是最早出現(xiàn)的微加速度計，其優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，芯片的制作相對容易，并且接口電路易點是：結(jié)構(gòu)簡單，芯片的制作相對容易，并且接口電路易于實現(xiàn)。其缺點是：溫度系數(shù)比較大，對溫度比較敏感；于實現(xiàn)。其缺點是：溫度系數(shù)比較大，對溫度比較敏感；和其他原理微加速度計相比，其靈敏度比較低，蠕變和遲和其他原理微加速度計相比，其靈敏度比較低，蠕變和遲滯效應(yīng)比較明顯。滯效應(yīng)比較明顯。電容式微加速度計電容式微加速度計是最常見的，也有成熟推廣的產(chǎn)品。其電容式微加速度計是最常見的，也有成熟推廣的產(chǎn)品。其基本原理就是將電容作為檢測接口，來檢測由于慣性力作基本原理就是將電容作為

7、檢測接口，來檢測由于慣性力作用導(dǎo)致慣性質(zhì)量塊發(fā)生的微位移。質(zhì)量塊由彈性微梁支撐用導(dǎo)致慣性質(zhì)量塊發(fā)生的微位移。質(zhì)量塊由彈性微梁支撐連接在基體上，檢測電容的一個極板一般配置在運動的質(zhì)連接在基體上，檢測電容的一個極板一般配置在運動的質(zhì)量塊上，一個極板配置在固定的基體上。圖量塊上，一個極板配置在固定的基體上。圖2 2所示為典型的所示為典型的三明治結(jié)構(gòu)的平板電容式微加速度計。還有三明治結(jié)構(gòu)的平板電容式微加速度計。還有AD AD 公司開發(fā)的公司開發(fā)的電容式微加速度計采用梳齒陣列電容作為檢測接口。電容電容式微加速度計采用梳齒陣列電容作為檢測接口。電容式微加速度計的靈敏度和測量精度高、穩(wěn)定性好、溫度漂式微加速

8、度計的靈敏度和測量精度高、穩(wěn)定性好、溫度漂移小、功耗極低，而且過載保護能力較強；能夠利用靜電移小、功耗極低，而且過載保護能力較強；能夠利用靜電力實現(xiàn)反饋閉環(huán)控制，顯著提高傳感器的性能。力實現(xiàn)反饋閉環(huán)控制，顯著提高傳感器的性能。扭擺式微加速度計扭擺式微加速度計的敏感單元是不對稱質(zhì)量平板，通過扭扭擺式微加速度計的敏感單元是不對稱質(zhì)量平板，通過扭轉(zhuǎn)軸與基座相連，基座上表面布置有固定電極，敏感平板轉(zhuǎn)軸與基座相連，基座上表面布置有固定電極，敏感平板下表面有相應(yīng)的運動電極，形成檢測電容下表面有相應(yīng)的運動電極，形成檢測電容( (如圖如圖3) 3) 。當(dāng)有。當(dāng)有加速度作用時，不對稱平板在慣性力作用下，將發(fā)生繞

9、扭加速度作用時，不對稱平板在慣性力作用下，將發(fā)生繞扭轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動角與加速度成比例關(guān)系，可用下式表示：轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動角與加速度成比例關(guān)系，可用下式表示： maL = KmaL = K。式中，。式中， a a 為輸入加速度；為輸入加速度；L L 為質(zhì)量平板質(zhì)心為質(zhì)量平板質(zhì)心到支撐軸轉(zhuǎn)動中心的距離；到支撐軸轉(zhuǎn)動中心的距離；K K 為支撐軸的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)；為支撐軸的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)；為平板的扭轉(zhuǎn)角。當(dāng)質(zhì)量平板發(fā)生偏移時，可以利用電為平板的扭轉(zhuǎn)角。當(dāng)質(zhì)量平板發(fā)生偏移時，可以利用電容的靜電力來調(diào)節(jié)平板的偏轉(zhuǎn)角度，提高系統(tǒng)的測量范圍，容的靜電力來調(diào)節(jié)平板的偏轉(zhuǎn)角度，提高系統(tǒng)的測量范圍，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。

10、其基本特點與電容式類似。改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。其基本特點與電容式類似。隧道式微加速度計隧道效應(yīng)就是平板電極和隧道針尖電極距離達到一定的條隧道效應(yīng)就是平板電極和隧道針尖電極距離達到一定的條件，可以產(chǎn)生隧道電流。由件，可以產(chǎn)生隧道電流。由J.G.Simmons J.G.Simmons 推導(dǎo)的隧道電流推導(dǎo)的隧道電流和針尖與下電極之間的距離關(guān)系可以描述為：和針尖與下電極之間的距離關(guān)系可以描述為： I I V Vexp ( -kx)exp ( -kx)。式中，。式中，V V 為施加在電極兩端的電壓；為施加在電極兩端的電壓；為有效勢壘高度；為有效勢壘高度；x x 為電極間隙；為電極間隙；k k為常數(shù)。為常數(shù)

11、。 這樣可以看這樣可以看出，隧道電流與極板之間的間隙出，隧道電流與極板之間的間隙 x x 呈負指數(shù)關(guān)系。隧道式呈負指數(shù)關(guān)系。隧道式微加速度計常用懸臂梁或者雙端固支梁支撐慣性質(zhì)量塊，微加速度計常用懸臂梁或者雙端固支梁支撐慣性質(zhì)量塊，質(zhì)量塊在慣性力的作用下，位置將發(fā)生偏移，這個偏移量質(zhì)量塊在慣性力的作用下，位置將發(fā)生偏移，這個偏移量直接影響到隧道電流的變化，通過檢測隧道電流變化量來直接影響到隧道電流的變化，通過檢測隧道電流變化量來間接檢測加速度值。系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖間接檢測加速度值。系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 4 所示所示。三、三、MEMSMEMS加速度計應(yīng)用加速度計應(yīng)用MEMS傳感器在汽車

12、產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用 MEMS 運動傳感器在移動電話中的應(yīng)用 光標或游戲機控制 導(dǎo)航 磁盤驅(qū)動器保護 MEMS加速度計在鼠標的應(yīng)用MEMSMEMS傳感器在汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用傳感器在汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用1、汽車發(fā)動機控制用傳感器 11 溫度傳感器 12 壓力傳感器 13 流量傳感器 14 位置和轉(zhuǎn)速傳感器 15 氣體濃度傳感器 16 爆震傳感器 17 節(jié)氣門位置傳感器MEMSMEMS傳感器在汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用傳感器在汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用2 、安全系統(tǒng)方面用傳感器21 微加速度傳感器22 表面微機械陀螺 23 車輛監(jiān)控和自診斷用傳感器 24 高溫微電子在汽車中的應(yīng)用1 17 7 節(jié)氣門位置傳感器節(jié)氣門位置傳感器節(jié)氣門

13、位置傳感器安裝在節(jié)氣門上，其功能是將發(fā)動機節(jié)節(jié)氣門位置傳感器安裝在節(jié)氣門上，其功能是將發(fā)動機節(jié)氣門的開度信號轉(zhuǎn)變成電信號，并傳遞給電子控制單元，氣門的開度信號轉(zhuǎn)變成電信號，并傳遞給電子控制單元，用以感知發(fā)動機的負荷大小和加減速工況。最常用的是可用以感知發(fā)動機的負荷大小和加減速工況。最常用的是可變電阻式節(jié)氣門位置傳感器。該傳感器是一種典型的節(jié)氣變電阻式節(jié)氣門位置傳感器。該傳感器是一種典型的節(jié)氣門傳感器，主要由一個線形變位器和一個怠速觸點兩部分門傳感器，主要由一個線形變位器和一個怠速觸點兩部分組成。電阻變位器用陶瓷薄膜電阻制成，滑動觸點用復(fù)位組成。電阻變位器用陶瓷薄膜電阻制成，滑動觸點用復(fù)位彈簧控

14、制，與節(jié)氣門同軸轉(zhuǎn)動。工作時，線形變位器的觸彈簧控制，與節(jié)氣門同軸轉(zhuǎn)動。工作時，線形變位器的觸點在電阻體上滑動，根據(jù)變化的電阻值，可以測得與節(jié)氣點在電阻體上滑動，根據(jù)變化的電阻值，可以測得與節(jié)氣門開度成正比的線性輸出電壓信號。根據(jù)輸出電壓值，電門開度成正比的線性輸出電壓信號。根據(jù)輸出電壓值，電子控制單元可獲知節(jié)氣門的開度和開度變化率，從而精確子控制單元可獲知節(jié)氣門的開度和開度變化率，從而精確判斷發(fā)動機的運行工況，提高控制精度和效果。怠速信號判斷發(fā)動機的運行工況，提高控制精度和效果。怠速信號滑動觸點是常開觸點，只有在節(jié)氣門全閉時才閉合，產(chǎn)生滑動觸點是常開觸點，只有在節(jié)氣門全閉時才閉合，產(chǎn)生怠速觸

15、點信號，主要用于怠速控制及點火提前角的修正。怠速觸點信號，主要用于怠速控制及點火提前角的修正。2 24 4 高溫微電子在汽車中的應(yīng)用高溫微電子在汽車中的應(yīng)用高溫微電子在汽車發(fā)動機控制、氣缸和排氣管、電子懸架和剎車、動高溫微電子在汽車發(fā)動機控制、氣缸和排氣管、電子懸架和剎車、動力管理及分配等方面的監(jiān)控中都起著非常重要的作用。例如，用于發(fā)力管理及分配等方面的監(jiān)控中都起著非常重要的作用。例如，用于發(fā)動機控制的高溫微電子傳感器和控制器將有助于燃燒的更好監(jiān)測和控動機控制的高溫微電子傳感器和控制器將有助于燃燒的更好監(jiān)測和控制，它將使燃燒的更加徹底，提高燃燒效率。但是，用傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)制，它將使燃燒的更加徹底

16、，提高燃燒效率。但是，用傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體技術(shù)制作的微電子器件由于不能在很高的溫度下工作，已不能勝任。體技術(shù)制作的微電子器件由于不能在很高的溫度下工作，已不能勝任。為了解決在高溫環(huán)境下溫度測量問題，必須研制一種新的材料來取代為了解決在高溫環(huán)境下溫度測量問題，必須研制一種新的材料來取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料。第三代寬能帶半導(dǎo)體材料傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料。第三代寬能帶半導(dǎo)體材料SicSic具有高擊穿電場、具有高擊穿電場、高飽和電子漂移速率、高熱導(dǎo)率及抗輻照能力強等一系列優(yōu)點。特別高飽和電子漂移速率、高熱導(dǎo)率及抗輻照能力強等一系列優(yōu)點。特別適合制作高溫、高壓、高功率、耐輻照等半導(dǎo)體器件。集成的適合制作高溫、高壓、高

17、功率、耐輻照等半導(dǎo)體器件。集成的SicSic傳傳感器可以直接與高溫油箱和排氣管接觸。這樣，能進一步獲得有關(guān)燃感器可以直接與高溫油箱和排氣管接觸。這樣，能進一步獲得有關(guān)燃料效率和減少廢氣排放的更多信息。研究表明，一旦料效率和減少廢氣排放的更多信息。研究表明，一旦SicSic半導(dǎo)體技術(shù)半導(dǎo)體技術(shù)能解決好材料、封裝等技術(shù)而得到進一步的發(fā)展，能解決好材料、封裝等技術(shù)而得到進一步的發(fā)展，SicSic功率器件的工功率器件的工作范圍將超過傳統(tǒng)的硅功率器件，而且，其體積比作范圍將超過傳統(tǒng)的硅功率器件，而且，其體積比SiSi功率器件也要小。功率器件也要小。由于汽車傳感器在汽車電子控制系統(tǒng)中的重要作用和快速增長的

18、市場由于汽車傳感器在汽車電子控制系統(tǒng)中的重要作用和快速增長的市場需求，世界各國對其理論研究、新材料應(yīng)用和新產(chǎn)品開發(fā)都非常重視。需求，世界各國對其理論研究、新材料應(yīng)用和新產(chǎn)品開發(fā)都非常重視。未來的汽車用傳感器技術(shù)，總的發(fā)展趨勢是微型化、多功能化、集成未來的汽車用傳感器技術(shù)，總的發(fā)展趨勢是微型化、多功能化、集成化和智能化。化和智能化。MEMS MEMS 運動傳感器在移動電話中的應(yīng)用運動傳感器在移動電話中的應(yīng)用1、光標或游戲機控制、光標或游戲機控制2、動態(tài)顯示配置、動態(tài)顯示配置3、導(dǎo)航、導(dǎo)航4、計步器、計步器5、磁盤驅(qū)動器保護、磁盤驅(qū)動器保護光標或游戲機控制加速度計可作為控制系統(tǒng)光標的輸入或者游戲機

19、的輸入。加速度計可作為控制系統(tǒng)光標的輸入或者游戲機的輸入。左右傾斜或前后翻倒移動電話可左右或上下移動屏幕上的左右傾斜或前后翻倒移動電話可左右或上下移動屏幕上的光標。這種功能是大家熟知的并且已被集成到幾個獨立的光標。這種功能是大家熟知的并且已被集成到幾個獨立的游戲機（例如任天堂公司的滾滾卡比游戲）和游戲控制器游戲機（例如任天堂公司的滾滾卡比游戲）和游戲控制器（例如微軟公司的（例如微軟公司的Freestyle ProFreestyle Pro控制器）中。跳躍動作還控制器）中。跳躍動作還引入了第三個軸（引入了第三個軸（Z Z軸）。與大多數(shù)移動電話中采用的標準軸）。與大多數(shù)移動電話中采用的標準8 8位

20、置控制不同，加速度計能提供可變的（模擬）控制。用位置控制不同，加速度計能提供可變的（模擬）控制。用戶手機傾斜的越大，光標移動速度越快。由于采用傾斜作戶手機傾斜的越大，光標移動速度越快。由于采用傾斜作為一種模擬信號輸入并且與電話鍵盤輸入方式相結(jié)合，所為一種模擬信號輸入并且與電話鍵盤輸入方式相結(jié)合，所以可用一只手完成復(fù)雜的輸入組合。以可用一只手完成復(fù)雜的輸入組合。導(dǎo)航集成的全球定位系統(tǒng)（集成的全球定位系統(tǒng)（GPSGPS）或基站的三角網(wǎng)能用來確定移）或基站的三角網(wǎng)能用來確定移動電話的位置。但是利用現(xiàn)有的這種小顯示屏。對于用來動電話的位置。但是利用現(xiàn)有的這種小顯示屏。對于用來完整顯示用戶前面的環(huán)境是非

21、常有利的。正常情況下采用完整顯示用戶前面的環(huán)境是非常有利的。正常情況下采用電子式指南針確定機首方位，但是指南針必須與地球表面電子式指南針確定機首方位，但是指南針必須與地球表面保持平行以便使機首方位誤差小。這種誤差依賴于到地球保持平行以便使機首方位誤差小。這種誤差依賴于到地球的地磁赤道的距離變化。例如在北京，指南針與地球表面的地磁赤道的距離變化。例如在北京，指南針與地球表面平行方向每偏離平行方向每偏離1 1度，會導(dǎo)致度，會導(dǎo)致3 3度的機首方位誤差。當(dāng)用戶度的機首方位誤差。當(dāng)用戶使用移動電話時，指南針可能傾斜于水平面方向成使用移動電話時，指南針可能傾斜于水平面方向成4545度，度，從而會產(chǎn)生很大的機首方位誤差?？墒褂眉铀俣扔嬆苡脕韽亩鴷a(chǎn)生很大的機首方位誤差?？墒褂眉铀俣扔嬆苡脕泶_定手機（和指南針）相對地球表面的實際方位以補償這確定手機（和指南針）相對地球表面的實際方位以補償這種誤差。種誤差。磁盤驅(qū)動器保護磁盤驅(qū)動器保護 MEMSMEMS加速度計在鼠標的應(yīng)用加速度計在鼠標的應(yīng)用四、四、MEMSMEMS加速度計的研究難題（國內(nèi)）加速度計的研究難題（國內(nèi)）(1) 微結(jié)構(gòu)的振動質(zhì)量比較小，產(chǎn)生的輸出信號非常微弱，基本上與機械噪聲以及電噪聲同數(shù)量級，因此弱電量檢測以及噪聲抑制成為提高加速度計性能的難題;