MEMS电容加速度计

1、制作：制作：WMQ、L SMEMS电容加速度计电容加速度计概要概要 主要分四部分：主要分四部分： 1 MEMS微加速度计简述微加速度计简述 2 MEMS电容式加速度计介绍电容式加速度计介绍 3 电容式加速度计分类及原理电容式加速度计分类及原理 4微加速度计的技术现状和发展趋势微加速度计的技术现状和发展趋势 5现阶段的技术难题和发展趋势与展望现阶段的技术难题和发展趋势与展望 6总结总结加速度计简述加速度计简述加速度计是用来测量加速度的仪器，在航天、制导、航海、以及汽车加速度计是用来测量加速度的仪器，在航天、制导、航海、以及汽车等领域具有重要的应用价值。传感器、软件、控制和执行器、构成了等领域具有

2、重要的应用价值。传感器、软件、控制和执行器、构成了现代化汽车的重要部分，性能好、价格低的现代化汽车的重要部分，性能好、价格低的MEMS传感器和执行器正传感器和执行器正是现代化汽车系统所需要的。微机械加速度计已经成功地应用于汽车是现代化汽车系统所需要的。微机械加速度计已经成功地应用于汽车电子领域电子领域,包括汽车安全气囊、振动补偿、防滑系统等方面包括汽车安全气囊、振动补偿、防滑系统等方面,用于提高用于提高汽车的可操纵性、安全性和舒适性汽车的可操纵性、安全性和舒适性MEMS惯性传感器的发展必将促进惯性传感器的发展必将促进现代化汽车的发展。现代化汽车的发展。随着航天技术的飞速发展，小型化、多功能、机

3、动性能强的航天武器随着航天技术的飞速发展，小型化、多功能、机动性能强的航天武器产品令人瞩目，并成为当今航天武器发展的一个主要趋势与此同时，产品令人瞩目，并成为当今航天武器发展的一个主要趋势与此同时，人们对航天惯性传感器在体积、重量和性能方面也提出了更高的要求，人们对航天惯性传感器在体积、重量和性能方面也提出了更高的要求，性能优良的传感器，可以提供准确的数据；为航天武器、微小卫星的性能优良的传感器，可以提供准确的数据；为航天武器、微小卫星的数据提供正确依据，保证航天武器、微小卫星的安全可靠；同时也使数据提供正确依据，保证航天武器、微小卫星的安全可靠；同时也使得航天武器，微小卫星的性能不断提高，从

4、而促进航天事业的发展。得航天武器，微小卫星的性能不断提高，从而促进航天事业的发展。Page 4加速度计的应用领域加速度计的应用领域 机械特性检测 土木结构状态监测 汽车 机器人 自动化 地震记录 汽车 结构主动控制 卫星导航 武器制导 玩具 Page 5MEMS加速度计的特点加速度计的特点 尺寸小 重量轻 成本低 易集成 功耗小 根据当今的发展趋势，MEMS加速度计在不久的将来有可能独占中高精度的加速度计市场的潜力。加速度计的半壁江山加速度计的半壁江山电容式加速度计 电容式微加速度计因具有高精度、低温度敏感系数、低功耗、宽动态范围和微机械结构等优点而成为当前国内外的研究热点。其有很好的直流响应

5、，较好的信噪比，负载阻抗高，受磁场的干扰小，容易实现自检，高灵敏度，低漂移和低温度灵敏度等，在低频响应方面可以响应静态的或直流加速度，因此得到了广泛的应用。在当前的科学研究以及市场份额中都是以电容式加速度计为主，占据了mems加速度计的半壁江山。电容式微加速度计的种类电容式微加速度计的种类 压阻式电容加速度计； 压电式电容加速度计； 电容式电容加速度计； 谐振式电容加速度计； 隧穿式电容加速度计； 热对流式电容加速度计；MEMS电容式加速度计的结构设计原则电容式加速度计的结构设计原则 MEMS电容式加速度计结构的设计要综合考虑各项性能以达到最佳的整体性能。考虑硅材料的固有材料特性和MEMS加速

6、度计的实际功能，在硅微结构的设计过程中，除了应满足具有较好的强度、易于加工和线性原则外，还应考虑一下一些原则： （1）同向性原则：当硅微结构受到各方向冲击作用时，只有某一个或某几个方向最为敏感，其余方向则是迟钝的。同向性原则可以保证被传感信息的有效性和无干扰性。 （2）灵敏性设计原则：灵敏性设计是指在硅微结构空间中，微纳米量级的位移能反映加速度的变化。并能有效地用相关的电物理量（如电容量）测定出来。即有着较好的灵敏度。 ( (1 1) ) 跷跷板摆式跷跷板摆式电容加速度计电容加速度计跷跷板摆式电容加速度计又称扭摆式硅微加速度计（Pendulous Micromachined Silicon A

7、ccelerometer，PMSA），因敏感质量绕着弹性梁扭转形似跷跷板而得名。其典型代表是美国Draper实验室于1990年研制的微机械加速度计，其敏感质量与下面的玻璃基片之间形成差动检测电容。由于质量片分别位于承扭梁两边的质量和惯性矩不相等，所以当存在垂直于质量片的加速度输入时，质量片将绕着支撑梁旋转，从而使相应的一对差动电容一个增大一个减小，测量差动电容值既可得到沿敏感轴输入的加速度。MEMS电容式加速度计的三种常见结构电容式加速度计的三种常见结构 (2) 梳齿式梳齿式电容加速度计电容加速度计梳齿式硅微机械加速度计(Finger-shaped Micromachined Silicon

8、Accelerometer，简写为FMSA)因活动电极形似梳齿而得名，又称叉指式电容加速度计，是微加速度计的一种典型结构。梳齿式微加速度计是梳齿式微加速度计具有灵敏度高、温度稳定性好、结构相对简单、功耗比较低、直流特性好等特点，但是容易受到电磁干扰。该类型的加速度计可以通过把若干极板面积较小的电容并连起来形成相对较大的电容以提高分辨率，而且可以制作反馈结构实现闭环控制，利于精度的提高。 (3) 三明治摆式三明治摆式电容加速度计电容加速度计三明治摆式电容加速度计又称为悬臂梁式硅微机械加速度计(CMSA)，是一种夹层结构的微机械加速度计，因动极板被夹在固定极板中间形似三明治（Sandwich）而得

9、名。该结构相对比较简单，电容可动极板由中间的敏感质量硅摆片的上下两面用电镀的方法制成，与相对应的固定极板组成一组差动电容来敏感输入加速度的大小。当质量块受到加速度激励上下运动时，电容极板间距随之变化，差动电容大小发生改变，理论推导可知差动电容的大小和加速度在质量块位移较小的情况下成近似线性比例关系。当忽略边缘效应时，平板电容器的电容为： -真空的介电常数=8.85 对真空他的值为1。 单位： ,若S取 ，C的单位为PF，则 公式中右边三个参数任意改变那一个都可作成为一种传感器:12dSdSCr0Sd012100r2cmcmddSCr电容式电容式MEMSMEMS器件的工作原理及结构形式器件的工作

10、原理及结构形式d1 a b ca、b为变间距式d e f gc、d、e为变间距式f、g为变介质式变间隙的电容式变间隙的电容式MEMS器件原理器件原理空气介质的变间隙电容式传感器：、原理： 由公式知： 空气介质常数=1.将一端固定， 另一端可动，这样电容值随被 测物的移动而改变。当d0减少 d时则电容增加c。14000dACrr图1-1c1c2d1d2图1-2d d/d0远小于1，展开得： 这就是说，当d/d0 远小于1时，c与d近似看成线性关系，一般取d/d00.02-0.1。 150000000011)1 (ddcdddAddAccc100000)1 (11/ddddddddcc020013

11、020000)(.)()(1 /ddddddddddddddcc162000000dsdcdddcdcSn001ddccSn020013020000)(.)()(1 /ddddddddddddddcc0010000100)(0020dddddd、电容传感器的灵敏度： 有的定义相对灵敏度： 灵敏度S是d0的函数，d0 越小，灵敏度越高，但d0减少，非线性增大。、非线性误差分析： 在 中只取2次项 则相对非线性误差为：变面积式的电容式变面积式的电容式MEMSMEMS器件原理器件原理如图（2-1）表示通过动板极移动，引起两极板有效覆盖面积S改变，使电容变化。 电容相对变化： 灵敏度为：注意：极板移动

12、时，一定要保持d不变。bl图图2-12-1dlbC0dlbCdlblbdbllCCC00)(llCCdblCSn见图（ 2-2） 其中a为齿宽，b为y方向的宽度 注意：xa时成立，无限远的运动会形成周期性变化。xaydbnxCSdxbnnCCCxdbCndxabnCxnxxx00)()(图图2-2变介电常数的电容式变介电常数的电容式MEMSMEMS器件原理器件原理如图3-1，在电容器板间通过厚为d，相对介电常数为r介质，电容为 ,若通过的介质相对介电常数增加r，列如湿度增加，成分变化时，电容增加为： 为灵敏度因子； 为非线性因子；rddaAC0)(11)(320rrrrrrNNCCddaACC

13、（3-1）ad图（图（3-13-1）)(112ddaNr)(113dadNr将（3-1）式展开为：.)()()(1 332332rrrrrrrrNNNNCCN2、N3都与d/（a-d）有关，此值愈大灵敏度愈高，非线性愈小图（3-1）也可用来测量介电材料厚度的变化，这时r为常数，d为自变量，则： 其中： 在 的情况下)(1144ddNNddCC（3-2）)(114ddaNrr展开（3-2）得：) 1)(4ddN.)()(12444ddNddNNddCC（3-3）N4既是灵敏度因子，又是非线性因子微加速度计的技术现状和发展趋势微加速度计的技术现状和发展趋势MEMSMEMS加速度计行业前景加速度计行

14、业前景 美国iSuppli发布的MEMS市场调查结果，2013年加速度传感器将成为MEMS市场上最热门的产品，加速度传感器市场20082013年将以年均10的增长率增长，2013年的销售额将达到17亿美元。从价格上看，占据全球50%加速度计市场ST公司的最近推出的高端LIS3DSH传感器于2012年第一季度开始量产，1000件的单位定价1.2美元 。它是全球首款推出2g、 4g、 8g、 16g全量程覆盖三轴线性加速度计，预计出货量将达到16亿颗，而在智能终端这种对性能指标要求不是非常高的领域，价格在早在2008年底就已经跌到1美元以下，并且已经成为智能终端的标准配置。 在汽车安全管理系统中，

15、装有安全气囊加速度计的汽车电子控制系统的失败率必须低于50ppm（50/1百万），汽车制造商采用可靠、高性能但相对昂贵的加速度计。例如，电子控制系统中测量横向加速度的加速度计要5美元以上 。飞思卡尔的用于一个安全气囊就用6个加速度计传感器。 在高铁、民用航空、航天系统、导弹、卫星导航等高尖端领域，加速度计更是不可或缺的器件。微加速度计的最新产品微加速度计的最新产品Bosch在在2012推出了最新的三轴推出了最新的三轴MEMS加加速度计速度计 BMA280/BMA255 分辨率： 14位，封装及尺寸： 2*2mm LGA(触点阵列),制作工艺 ：200mm晶圆，可检测最小加速度数值：0.25mi

16、lli-g集成了FIFO缓冲区和先进的中断机制噪音仅为：120 micro-g/vHz和150 micro-g/vHz 以最大速率传输数据时电流只有130mA省点模式时功耗甚至可低于10mA接口：SPI(3-or-4wire)和IIC工作温度：-40+85度特点：目前市场上还没其它2*2mm的加速度计能够保持如此低噪音和高灵敏度VTIVTI单轴模拟输出加速度传感器单轴模拟输出加速度传感器SCA610-SCA610-C28H1AC28H1A技术特征轴数：1轴（水平）带宽： 50HZ灵敏度：1.2V/g温漂： 0.6mg/C 量程：1.7g 工作温度 -40125 输出噪声 ：直流工作下，最大为5

17、mV RMS 供电电源：4.75V5.25V 功耗：4mA 主要应用场合：SCA6x0系列加速度计目标市场是汽车行业，所以根据汽车行业的可靠性、稳定性要求所设计、生产和测试的。 该系列的加速度计传感器具有显著的负载能力和非常好的冲击耐久性。中国电子科技集团公司第十三研究所研制的中国电子科技集团公司第十三研究所研制的MSA009MSA009系列系列 量程：2g10g量程分辨率：在500Hz下为0.3mg噪声：20g/Hz带宽（-3db）0-2000可调节非线性：0.8%外形尺寸：10.46*7.65*2.54mm封装：陶瓷封装工作温度 ：-40+60特点：2011年国内首款MEMS高精度单片式电

18、容硅加速度计，抗2万g高冲击恶劣环境、高性价比产品现阶段微加速度计发展难题现阶段微加速度计发展难题1、微结构的振动质量块比较小,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、微加速度计的迟滞效应，微加速度计在冷启动后其输出会经历数分钟时间才会稳定，这种漂移量称为启动漂移。他混合了时漂和温漂，漂移量为全量程0.02%-0.2%。启动过程中微加速度计产生变化的因素有芯片自身的发热、驱动和检测电路的发热致表芯的发热传导和检测电路的发热导致电路参数的漂移。最近清华大学通过内嵌一个25阻值为100K的NTC热敏电阻可以有效抑制启动温度漂移。3、对于一体化结构的多轴加速度计如何解决轴间耦合将会是多轴加速度计设计的一个难题。4、MEMS微加速度计敏感和较脆弱的特点，当外部的剧烈振动对加速度计产生如粘附失效、断裂失效等灾难性的影响，抗冲击性是难点之一。5、体硅工艺的限制