传感器原理与应用课件 第15章 MEMS传感器

15.3 MEMS加速度计
加速度计在许多不同的领域均有应用，例如：配有气囊的汽车、航 海器、心房脉动探测器、机器监控等。由于MEMS加速度计在许多设计 中，能减小费用/批量、改善性能，因此正飞速地开辟新的应用领域。 MacDonald和Giachino都对MEMS加速度计在汽车领域的应用作了很好 的综述。
特性 量程
指标 ±1g ±2 g ±40 g ±50g ±100º/s
应用领域 反锁闸（ABS）/牵引控制系统（TCS） 垂直体运动 轮运动 气囊 导向反馈 极限温度下5% 所有应用 1米高度自由落体到混凝土上 垂直运动 水平运动（对气囊可高达1KHz） 大部分应用 保护罩内的应用
精度 横轴灵敏度 耐冲击 频率响应
为了提高测量灵敏度，可采用差动电容式方案。差动电容式加速度 计的组成结构如图所示。其工作原理为硅制检测质量由双挠性臂或四挠 性臂支承，在检测质量两侧的仪表壳体上各设置一个电极。在硅制检测 质量的表面上也需要进行金属化处理，它与二个电极之间便形成具有公 共电极的二个电容器。
当加速度输入使检测质量偏转（对双挠性臂支承方案）或平移（对 四挠性臂支承方案）时，两个电容器的电容量发生差动变化，从而提供 一个正比于输入加速度的输出信号。
但提高灵敏度方面难度很大。
15.3.2
电容式MEMS加速度计
电容式 MEMS加速度计类似压阻式加速度计，区别是在检测质量下 面设置一个读取电极，而不是注入压敏电阻。组成结构原理如图所示。 其工作原理为：当加速度输入使检测质量偏转时，由读取电极与检测质 量所构成电容器的电容量发生变化，从而提供一个正比于输入加速度的 输出信号。
±2% <1%～3% >500g 0～5Hz 0.5～50Hz
ห้องสมุดไป่ตู้
温度范围
-40～85ºC -40～125ºC
MEMS加速度计又称硅加速度计，它感测加速度的原理仍与一般的加 速度计相同。根据读取元件的不同，微机械加速度计又有压阻式、电容 式、静电平衡式和石英振梁式之分。
性能参数 测量加速度最大值 偏置误差长期稳定性 偏置误差短期稳定性 对线振动敏感偏置误差 标度因数长期稳定性 标度因数短期稳定性 标度因数非线性 工作温度范围 抗震 预计指标 70g 1.5×10-3g 5×10-4g 2×10-4g/g2 3×10-4 1×10-4 5×10-5 -55～+85º C 200~100000g
15.1 概
述
MEMS这个词是Microelectromechanical System的缩写， 通常称为微型机电系统。微型机电系统(MEMS)是指可以批 量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信 号处理和控制电路、直至接口、通讯和电源等于一体的微 型器件或系统。
15.2 MEMS传感器分类
电容式加速度传感器具有温度效应小，灵敏度相对较高， 可达0.01mg (即)，加工工艺不复杂等优点，也是目前应用很广 泛的一种加速度传感器，缺点在于，需要测量小电容，因而测 试方法复杂，同时，由于分布电容和电磁干扰的影响，测试精 确度不高。改进的方法是，在传感器与测试电路之间加入前置 电路以去除干扰。
经过20年的研究和开发，关于压阻式加速度传感器的设计已经 形成了一套比较成熟的理论体系，它具有加工艺简单，测量方法易 行，线性度好等优点，已经于 80年代末得到广泛应用。但是，压阻 式加速度传感器有两个很严重的缺点：温度效应严重；灵敏度较低， 一般只能到1mg（即）。通过温度控制电路可以对温度效应进行补偿，
通过MEMS加工技术制备的新一代传感器件，具有小型化、集成化的特 点。(1)可以极大地提高传感器性能。在信号传输前就可放大信号，从而减少 干扰和传输噪音，提高信噪比；在芯片上集成反馈线路和补偿线路，可改善 输出的线性度和频响特性，降低误差，提高灵敏度。(2)具有阵列性。可以在 一块芯片上集成敏感元件、放大电路和补偿线路。可以把多个相同的敏感元 件集成在同一芯片上。(3)具有良好的兼容性，便于与微电子器件集成与封装。 (4)利用成熟的硅微半导体工艺加工制造，可以批量生产，成本非常低廉。 MEMS传感器没有统一的分类方法，按照目前的MEMS传感器产品和研 究情况，本书将目前的 MEMS传感器分为十类，包括微机械加速度传感器、 微机械角速度传感器、微型压力传感器、微型磁传感器、微型热传感器、微 型气敏传感器、微型光传感器、微型电场传感器、微型生物传感器、微型化 学传感器等，本章将介绍常见的MEMS加速度计与MEMS陀螺。
15.3.3
静电力平衡式MEMS加速度计
压阻式或电容式微机械加速度计均是开环工作方式。当沿输入轴的加 速度使检测质量产生偏转时，还将敏感沿交叉轴的加速度而引起交叉耦 合误差，影响加速度计的测量精度。采用闭环工作方式可以克服这一不 足。静电力平衡式MEMS加速度计即属于此种类型。它利用力平衡回路 产生的静电力（或力矩）来平衡加速度引起的作用在检测质量上的惯性 力（或力矩）。施加在用以产生静电力（或力矩）的电极上的控制电压， 可作为输入加速度的量度。其基本结构与上述差动电容式相同，但增加 了一个静电力平衡回路。图为静电平衡式加速度计原理结构图。
15.3.1
压阻式MEMS加速度计
硅制检测质量由单挠性臂或双挠性臂支承，在挠性臂处采用离子注 入法形成压敏电阻。压阻式加速度计原理结构如图所示。其工作原理为： 当有加速度a输入时，检测质量受到惯性力作用产生偏转，并在挠性臂上 产生应力，使压敏电阻的电组织发生变化，从而提供一个正比于输入加 速度的输出信号。
第15章 MEMS传感器
15.1 概 述 15.2 MEMS传感器分类 15.3 MEMS加速度计 15.3.1 压阻式MEMS加速度计 15.3.2 电容式MEMS加速度计 15.3.3 静电力平衡式MEMS加速度计 15.3.4 石英振梁式MEMS加速度计 15.3.5 隧道效应MEMS加速度计 15.4 MEMS陀螺 15.4.1 石英音叉MEMS振动陀螺仪 15.4.2 MEMS硅双框架振动陀螺仪 15.4.3 MEMS硅梳状驱动振动陀螺仪 15.4.4 MEMS静电陀螺仪 15.5 MEMS传感器的信号调理 15.5.1 MEMS压阻式传感器的信号调理 15.5.2 MEMS电容式传感器的信号调理 15.5.3 MEMS谐振式传感器的信号调理