《MEMS加速度計(jì)》PPT課件.ppt

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1、MEMS加速度計(jì),加速度計(jì)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體上的力，就比如地球引力，也就是重力。加速力可以是個(gè)常量，比如g，也可以是變量。 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)加速度計(jì)就是使用MEMS技術(shù)制造的加速度計(jì)。由于采用了微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，使得其尺寸大大縮小，一個(gè)MEMS加速度計(jì)只有指甲蓋的幾分之一大小。MEMS加速度計(jì)具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。,CONTENTS,目錄,MEMS加速度計(jì)工作原理,1,MEMS加速度計(jì)的類型,2,MEMS加速度計(jì)應(yīng)用,3,MEMS加速度計(jì)的研究難題（國內(nèi)）,4,ME

2、MS加速度計(jì)的發(fā)展趨勢,5,一、MEMS加速度計(jì)工作原理,靠MEMS中可移動(dòng)部分的慣性。由于中間電容板質(zhì)量很大，且是一種懸臂結(jié)構(gòu)，當(dāng)速度變化或加速度達(dá)到足夠大時(shí)，它所受的慣性力超過固定或支撐它的力，這時(shí)它會(huì)移動(dòng)，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。 依據(jù)不同應(yīng)用，中間電容板懸臂結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度或彈性系數(shù)設(shè)計(jì)也不同，且不同方向的加速度也會(huì)使MEMS結(jié)構(gòu)有很大的不同。 電容的變化會(huì)由另一晶片轉(zhuǎn)或成電壓訊號，有時(shí)也會(huì)把電壓訊號放大。訊號再經(jīng)轉(zhuǎn)化處理，在零點(diǎn)和靈敏度校正后輸出。,,二、MEMS加速度計(jì)的類型,壓阻式微加速度計(jì) 電容式微加速度計(jì) 扭擺式微加速度計(jì) 隧道式微加速度計(jì),,

3、壓阻式微加速度計(jì),壓阻式微加速度計(jì)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)生變形時(shí)，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1所示）。當(dāng)有加速度輸入時(shí)，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(huì)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。壓電式微加速度計(jì)是最早出現(xiàn)的微加速度計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)。其缺點(diǎn)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(jì)相比，其靈

4、敏度比較低，蠕變和遲滯效應(yīng)比較明顯。,,,電容式微加速度計(jì),電容式微加速度計(jì)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(gè)極板一般配置在運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊上，一個(gè)極板配置在固定的基體上。圖2所示為典型的三明治結(jié)構(gòu)的平板電容式微加速度計(jì)。還有AD 公司開發(fā)的電容式微加速度計(jì)采用梳齒陣列電容作為檢測接口。電容式微加速度計(jì)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(hù)能力較強(qiáng)；能夠利用靜電力實(shí)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(jì),扭擺式微加速度計(jì)的

5、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，敏感平板下表面有相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)電極，形成檢測電容(如圖3) 。當(dāng)有加速度作用時(shí)，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(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)角與加速度成比例關(guān)系，可用下式表示： maL = K。式中， a 為輸入加速度；L 為質(zhì)量平板質(zhì)心到支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離；K 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(shí)，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，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。其基本特點(diǎn)與電容式類似。,隧道式微加速度計(jì),隧道效應(yīng)就是平板電極和隧道針尖電極距離達(dá)到一定的條件，可以產(chǎn)生隧道電流。由J.G.S

6、immons 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： I Vexp ( -kx)。式中，V 為施加在電極兩端的電壓；為有效勢壘高度；x 為電極間隙；k為常數(shù)。 這樣可以看出，隧道電流與極板之間的間隙 x 呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。隧道式微加速度計(jì)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(gè)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間接檢測加速度值。系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。,,,三、MEMS加速度計(jì)應(yīng)用,MEMS傳感器在汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用 MEMS 運(yùn)動(dòng)傳感器在移動(dòng)電話中的應(yīng)用 光標(biāo)或游戲機(jī)控制 導(dǎo)航 磁盤驅(qū)動(dòng)器保護(hù) MEMS加速

7、度計(jì)在鼠標(biāo)的應(yīng)用,MEMS傳感器在汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用,1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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,MEMS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(jī)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,17 節(jié)氣門位置傳感器,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(dòng)機(jī)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，用以感知發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷大小和加減速工況。最常用的是可變電阻式節(jié)氣門位

8、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(gè)線形變位器和一個(gè)怠速觸點(diǎn)兩部分組成。電阻變位器用陶瓷薄膜電阻制成，滑動(dòng)觸點(diǎn)用復(fù)位彈簧控制，與節(jié)氣門同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。工作時(shí)，線形變位器的觸點(diǎn)在電阻體上滑動(dòng)，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(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，提高控制精度和效果。怠速信號滑動(dòng)觸點(diǎn)是常開觸點(diǎn)，只有在節(jié)氣門全閉時(shí)才閉合，產(chǎn)生怠速觸點(diǎn)信號，主要用于怠速控制及點(diǎn)火提前角的修正。,24 高溫微電子在汽車中的應(yīng)用,高溫微電子在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制、氣缸和排氣管、電子懸架和剎車、動(dòng)力管理及分配等方面的監(jiān)

9、控中都起著非常重要的作用。例如，用于發(fā)動(dòng)機(jī)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)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傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料。第三代寬能帶半導(dǎo)體材料Sic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(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。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Sic傳感器可以直接與高溫油箱和排氣管接觸。這樣，能進(jìn)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Sic半導(dǎo)體技術(shù)能解決好材料、

10、封裝等技術(shù)而得到進(jìn)一步的發(fā)展，Sic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Si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。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。,MEMS 運(yùn)動(dòng)傳感器在移動(dòng)電話中的應(yīng)用,1、光標(biāo)或游戲機(jī)控制 2、動(dòng)態(tài)顯示配置 3、導(dǎo)航 4、計(jì)步器 5、磁盤驅(qū)動(dòng)器保護(hù),光標(biāo)或游戲機(jī)控制,加速度計(jì)可作為控制系統(tǒng)光標(biāo)的輸入或者游戲機(jī)的輸入。左右傾斜或前后翻倒移動(dòng)電話可左右或上下移動(dòng)屏幕上的光標(biāo)。這種功能是大家熟知的并且已被集成到幾個(gè)獨(dú)立的游

11、戲機(jī)（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Freestyle Pro控制器）中。跳躍動(dòng)作還引入了第三個(gè)軸（Z軸）。與大多數(shù)移動(dòng)電話中采用的標(biāo)準(zhǔn)8位置控制不同，加速度計(jì)能提供可變的（模擬）控制。用戶手機(jī)傾斜的越大，光標(biāo)移動(dòng)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)（GPS）或基站的三角網(wǎng)能用來確定移動(dòng)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)境是非常有利的。正常情況下采用電子式指南針確定機(jī)首方位，但是指南針必須與地球表面保持平行以便使機(jī)首方位誤差小。這種誤差依

12、賴于到地球的地磁赤道的距離變化。例如在北京，指南針與地球表面平行方向每偏離1度，會(huì)導(dǎo)致3度的機(jī)首方位誤差。當(dāng)用戶使用移動(dòng)電話時(shí)，指南針可能傾斜于水平面方向成45度，從而會(huì)產(chǎn)生很大的機(jī)首方位誤差?？墒褂眉铀俣扔?jì)能用來確定手機(jī)（和指南針）相對地球表面的實(shí)際方位以補(bǔ)償這種誤差。,磁盤驅(qū)動(dòng)器保護(hù),,MEMS加速度計(jì)在鼠標(biāo)的應(yīng)用,,四、MEMS加速度計(jì)的研究難題（國內(nèi)）,(1)微結(jié)構(gòu)的振動(dòng)質(zhì)量比較小，產(chǎn)生的輸出信號非常微弱，基本上與機(jī)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(jì)性能的難題; (2)微結(jié)構(gòu)的遲滯和溫漂是影響微加速度計(jì)精度的重要因素，如何改善結(jié)構(gòu)減小遲滯效應(yīng)，采取措施

13、降低溫漂的影響，是微加速度計(jì)實(shí)用化的重要課題; (3)微加速度計(jì)存在明顯的橫向干擾，如何采用合理的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在各方向解耦，并且通過合理布置檢測單元，實(shí)現(xiàn)對橫向干擾的抑制，也是研究的重要內(nèi)容; (4)除了基于半導(dǎo)體平面工藝的特殊結(jié)構(gòu)電容式加速度計(jì)成本較低，利于批量生產(chǎn)外（例如AD公司的微加速度計(jì)系列），其他原理的加速度計(jì)的制作成本相對較高，不利于批量生產(chǎn);,,五、MEMS加速度計(jì)的發(fā)展趨勢,(1)高分辨率和大量程的微硅加速度計(jì)成為研究的重點(diǎn)。由于慣性質(zhì)量塊比較小，所以用來測量加速度和角速度的慣性力也相應(yīng)比較小，系統(tǒng)的靈敏度相對較低，這樣開發(fā)出高靈敏度的加速度計(jì)顯得尤為重要。無論是民用還是軍事用

14、途，精度高、量程大的微加速度計(jì)將會(huì)大大拓寬其運(yùn)用范圍。 (2)溫漂小、遲滯效應(yīng)小成為新的性能目標(biāo)，選擇合適的材料，采用合理的結(jié)構(gòu)，以及應(yīng)用新的低成本溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，能夠大幅度提高微加速度計(jì)的精度。 (3)多軸加速度計(jì)的開發(fā)成為新的方向。已經(jīng)有文獻(xiàn)報(bào)道開發(fā)出三軸微硅加速度計(jì)，但是其性能離實(shí)用還有一段距離，多軸加速度計(jì)的解耦是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。,五、MEMS加速度計(jì)的發(fā)展趨勢,(4)將微加速度計(jì)表頭和信號處理電路集成在單片基體上，也能夠減小信號傳輸損耗，降低電路噪聲，抑制電路寄生電容的干擾。 (5)選擇合理的工藝手段，降低制作成本，為微加速度計(jì)批量化生產(chǎn)提供工藝路線;同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化微機(jī)電系統(tǒng)工藝，為微加速度計(jì)投片生產(chǎn)提供一套利于操作、重復(fù)性好的工藝方法，也是微硅加速度計(jì)發(fā)展的重要方向。,,,,,謝謝大家,