加速度传感器2

2，加速度传感器ADXL50Accelerometer±50gPolysiliconMEMS&BiCMOS

3x3mmdieADXL50SensingMicrostructureADXL50–blockdiagramADXL50–blockdiagramADXL50-Process大压力范围集成MEMS三维触觉传感器AnintegratedMEMSthree-dimensionaltactilesensorwithlargeforce（2002）

目前已成功研制许多种触觉传感器，为机械手的远程控制和智能机器人提供触觉敏感元件。这些触觉传感通过检测握力的大小，可以产生物体的位置和外形，达到触觉成像功能。然而在握住事物的过程中，除了触觉图像和正常压力外，切向力对于力的控制和消除滑动也非常重要。三维触觉传感器大致可分为以下几种：压阻式、电容式、光学敏感单元。有一些触觉传感器利用MEMS技术把敏感单元和预处理电路紧密地集成在一起，但这些传感器对大部分应用来说太易碎了、强度不够。例如一个触觉成像的电容式传感器它的压力范围仅为0.01N。其他的触觉传感器要么体积笨重（像一个CCD照相机中的光敏触觉传感器）要么精度太低。强度不够和体积庞大限制了触觉传感器在机器人中的应用，特别对太空机器人来说。

对于高成本的太空系统来说，可靠性是非常重要的。因此必须改进触觉传感的强度以提高元件的可靠性。对太空发射来说增加重量就是增加发射成本，因此触觉传感器必须压缩或集成使质量最小和结构紧密。可用于微型/纳米卫星和微型飞行器的太空机器人。虽然这些微型机器人并不完全需要微型的传感器，但毫米级的三维触觉传感器对目前太空机器人系统说确实非常急需的。我们已研究出具有一定强度的MEMS集成三维触觉传感器，它具有软的接触表面和大的压力范围。这种传感器采用了过载停止设计增加抗过载的强度，采用CMOS工艺把压敏电阻的敏感单元和片带数据读出电路集成以减少整个传感器的体积振动式微陀螺仪当需要检测物体的运动方向和姿态时常用到陀螺仪即转速计。陀螺仪按其构成原理可分为机械式、光学式、气动式和振动等类型。这当中，振动式最适合微型化，因为它的结构相对简单且无旋转部件。近年来，基于微加工技术制作的振动型微陀螺仪的研究报道很多，并逐步迈向实用化。日本村田制作所的田中研究小组研制出了一种典型的基于表面微加工工艺的微陀螺仪，其结构如图5-15所示。它的多晶硅谐振子长800微米（包括两侧的梁），宽400微米（包括两侧的梳状振动器），厚度5微米，被4个梁悬起来，这些梁的终端被锚定在单晶硅上。为了得到大的弯曲振幅，驱动方向是横向的（在x方向）。振子是靠施加在梳状操作器上的AC和DC偏置电压所产生的静电力来工作的（驱动振动模式）。当振子沿y轴以角速度Ω转动时，所产生的柯氏力F(Coriolisforce，理论上，F=2mvΩ,m为谐振子的质量，v为谐振子的横向振动速度)与Ω成比例变化，会引起振子沿z轴方向上下振动（检测振动模式）。但这种振动弯曲很小，一般通过振子和硅板之间的空隙的静电电容的变化才可以检测到。若设计的空隙是1微米，为了提高检测高灵敏度，需要合理设计4个梁的尺寸，即支撑梁的长宽高，一般使驱动模式和检测模式的响应频率很接近。图5-15微陀螺仪的构造示意图基于表面微加工技术制作微陀螺仪的工艺流程如图5-16所示。一个检测电极，PSG牺牲层（1微米厚）和多晶硅层（5微米厚）被沉积在一片单晶硅上。利用RIE使多晶硅刻蚀成谐振子。牺牲层用氢氟酸湿法腐蚀除去，然后用水飘洗，最后在真空环境用二甲基二丙醇冷冻干燥。这种冷冻干燥可以避免由于表面张力使振子粘到硅板的现象。用激光位移计测量驱动模式的谐振频率和检测模式的谐振频率，然后用离子研磨来修正两种模式谐振频率，这里有选择性地研磨支撑梁，可使检测模式的谐振频率比驱动模式的减少的更快。图5-16微陀螺仪制作工艺流程：(a)磷扩散，(b)PSG的沉积和型，(c)多晶硅的沉积和成型，(d)腐蚀牺牲层，(e)利用离子研磨进行响应频率修整。

图5-17陀螺仪信号调理电路示意图图5-17给出了微陀螺仪的测试系统的原理框图。在真空中测试微陀螺仪的输出特性。给样品施加5VDC偏置电压和10Vp-pAC驱动电压，且两边的梳状微驱动器交替工作（相位相差180度）。使用FET电容——电压转换器来检测出电容的变化。用相位检测计放大和处理C-V转换器的信号。图5-18给出了当角速度为45deg/s时，陀螺仪的输出电压随环境压强变化的情况，由图可知，输出电压随着压强的增加而减小。在较高压力下输出电压的减少是由于空气的阻尼效应，使谐振子的谐振品质因数Q减小所致。特别值得一提的是驱动模式的Q对谐振子振幅有明显的影响。为了使这种微陀螺仪能稳定工作，一般要采用振幅反馈控制和真空封装。图5-19是一幅振动型微陀螺仪的SEM照片。图5-18陀螺仪的输出电压与压强间的关系图5-18给出了当角速度为45deg/s时，陀螺仪的输出电压随环境压强变化的情况，由图可知，输出电压随着压强的增加而减小。在较高压力下输出电压的减少是由于空气的阻尼效应，使谐振子的谐振品质因数Q减小所