《MEMS加速度計》PPT課件.ppt

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1、MEMS加速度計,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。加速力可以是個常量，比如g，也可以是變量。 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)加速度計就是使用MEMS技術制造的加速度計。由于采用了微機電系統(tǒng)技術，使得其尺寸大大縮小，一個MEMS加速度計只有指甲蓋的幾分之一大小。MEMS加速度計具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點。,CONTENTS,目錄,MEMS加速度計工作原理,1,MEMS加速度計的類型,2,MEMS加速度計應用,3,MEMS加速度計的研究難題（國內）,4,ME

2、MS加速度計的發(fā)展趨勢,5,一、MEMS加速度計工作原理,靠MEMS中可移動部分的慣性。由于中間電容板質量很大，且是一種懸臂結構，當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。 依據不同應用，中間電容板懸臂結構的強度或彈性系數設計也不同，且不同方向的加速度也會使MEMS結構有很大的不同。 電容的變化會由另一晶片轉或成電壓訊號，有時也會把電壓訊號放大。訊號再經轉化處理，在零點和靈敏度校正后輸出。,,二、MEMS加速度計的類型,壓阻式微加速度計 電容式微加速度計 扭擺式微加速度計 隧道式微加速度計,,

3、壓阻式微加速度計,壓阻式微加速度計是由懸臂梁和質量塊以及布置在梁上的壓阻組成，橫梁和質量塊常為硅材料。當懸臂梁發(fā)生變形時，其固定端一側變形量最大，故壓阻薄膜材料就被布置在懸臂梁固定端一側（如圖1所示）。當有加速度輸入時，懸臂梁在質量塊受到的慣性力牽引下發(fā)生變形，導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而發(fā)生變化，導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學模型推導出輸入加速度與輸出電壓值的關系。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：結構簡單，芯片的制作相對容易，并且接口電路易于實現(xiàn)。其缺點是：溫度系數比較大，對溫度比較敏感；和其他原理微加速度計相比，其靈

4、敏度比較低，蠕變和遲滯效應比較明顯。,,,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致慣性質量塊發(fā)生的微位移。質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量塊上，一個極板配置在固定的基體上。圖2所示為典型的三明治結構的平板電容式微加速度計。還有AD 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。電容式微加速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

5、敏感單元是不對稱質量平板，通過扭轉軸與基座相連，基座上表面布置有固定電極，敏感平板下表面有相應的運動電極，形成檢測電容(如圖3) 。當有加速度作用時，不對稱平板在慣性力作用下，將發(fā)生繞扭轉軸的轉動。轉動角與加速度成比例關系，可用下式表示： maL = K。式中， a 為輸入加速度；L 為質量平板質心到支撐軸轉動中心的距離；K 為支撐軸的扭轉剛度系數；為平板的扭轉角。當質量平板發(fā)生偏移時，可以利用電容的靜電力來調節(jié)平板的偏轉角度，提高系統(tǒng)的測量范圍，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，可以產生隧道電流。由J.G.S

6、immons 推導的隧道電流和針尖與下電極之間的距離關系可以描述為： 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。 這樣可以看出，隧道電流與極板之間的間隙 x 呈負指數關系。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量塊，質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間接檢測加速度值。系統(tǒng)的典型結構示意圖如圖4 所示。,,,三、MEMS加速度計應用,MEMS傳感器在汽車產業(yè)中的應用 MEMS 運動傳感器在移動電話中的應用 光標或游戲機控制 導航 磁盤驅動器保護 MEMS加速

7、度計在鼠標的應用,MEMS傳感器在汽車產業(yè)中的應用,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傳感器在汽車產業(yè)中的應用,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)動機節(jié)氣門的開度信號轉變成電信號，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，滑動觸點用復位彈簧控制，與節(jié)氣門同軸轉動。工作時，線形變位器的觸點在電阻體上滑動，根據變化的電阻值，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，產生怠速觸點信號，主要用于怠速控制及點火提前角的修正。,24 高溫微電子在汽車中的應用,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)的硅半導體技術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)的半導體材料。第三代寬能帶半導體材料Sic具有高擊穿電場、高飽和電子漂移速率、高熱導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，能進一步獲得有關燃料效率和減少廢氣排放的更多信息。研究表明，一旦Sic半導體技術能解決好材料、

10、封裝等技術而得到進一步的發(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、新材料應用和新產品開發(fā)都非常重視。未來的汽車用傳感器技術，總的發(fā)展趨勢是微型化、多功能化、集成化和智能化。,MEMS 運動傳感器在移動電話中的應用,1、光標或游戲機控制 2、動態(tài)顯示配置 3、導航 4、計步器 5、磁盤驅動器保護,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

11、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Freestyle Pro控制器）中。跳躍動作還引入了第三個軸（Z軸）。與大多數移動電話中采用的標準8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。由于采用傾斜作為一種模擬信號輸入并且與電話鍵盤輸入方式相結合，所以可用一只手完成復雜的輸入組合。,導航,集成的全球定位系統(tǒng)（GPS）或基站的三角網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保持平行以便使機首方位誤差小。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，會導致3度的機首方位誤差。當用戶使用移動電話時，指南針可能傾斜于水平面方向成45度，從而會產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種誤差。,磁盤驅動器保護,,MEMS加速度計在鼠標的應用,,四、MEMS加速度計的研究難題（國內）,(1)微結構的振動質量比較小，產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; (2)微結構的遲滯和溫漂是影響微加速度計精度的重要因素，如何改善結構減小遲滯效應，采取措施

13、降低溫漂的影響，是微加速度計實用化的重要課題; (3)微加速度計存在明顯的橫向干擾，如何采用合理的結構實現(xiàn)結構在各方向解耦，并且通過合理布置檢測單元，實現(xiàn)對橫向干擾的抑制，也是研究的重要內容; (4)除了基于半導體平面工藝的特殊結構電容式加速度計成本較低，利于批量生產外（例如AD公司的微加速度計系列），其他原理的加速度計的制作成本相對較高，不利于批量生產;,,五、MEMS加速度計的發(fā)展趨勢,(1)高分辨率和大量程的微硅加速度計成為研究的重點。由于慣性質量塊比較小，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將會大大拓寬其運用范圍。 (2)溫漂小、遲滯效應小成為新的性能目標，選擇合適的材料，采用合理的結構，以及應用新的低成本溫度補償環(huán)節(jié)，能夠大幅度提高微加速度計的精度。 (3)多軸加速度計的開發(fā)成為新的方向。已經有文獻報道開發(fā)出三軸微硅加速度計，但是其性能離實用還有一段距離，多軸加速度計的解耦是結構設計中的難點。,五、MEMS加速度計的發(fā)展趨勢,(4)將微加速度計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，為微加速度計批量化生產提供工藝路線;同時，標準化微機電系統(tǒng)工藝，為微加速度計投片生產提供一套利于操作、重復性好的工藝方法，也是微硅加速度計發(fā)展的重要方向。,,,,,謝謝大家,