微加速度传感器概述_微机电系统设计学

《微机电系统设计学》读书报告——微加速度传感器概述查阅资料前，预计要解决的问题：1)微加速度传感器的产生2)微加速度传感器相比于传统传感器存在的优势3)微加速度传感器工作原理4)微加速度传感器主要有哪些类型，不同类型的特点5)不同类型的微加速度传感器大致结构和工作机制6)微加速度传感器主要应用及其发展趋势和前景7)国内外微加速度传感器的发展查阅的主要书籍及论文如下：1.刘昶等微机电系统基础[M] 北京：机械工业出版社，20072.李德胜等MEMS技术及其应用[M] 黑龙江: 哈尔滨工业大学出版社，20023.傅建中等微系统原理与技术[M] 北京：机械工业出版社，20054.刘好等微加速度传感器的研究现状及发展趋势[J] 光学精密工程2004,12(3)：81-865.李圣怡等微加速度计研究的进展[J] 国防科技大学学报2006（04）：34-37针对预期解决的问题，对查阅的资料进行整理。

一、微加速度传感器概述自19世纪产业革命以来，传感器作为检测单元不断用于改善机器系统的性能和提高系统的自动化程度。

随着MEMS技术的不断发展，特别是其加工技术，如蒸镀、刻蚀，微细加工的进步，过去很难加工的工艺变得容易了。

通过蒸镀可以制成均匀的、稳定的，并可以把拾取信息的敏感部分和电路集成于一体。

例如，微加工技术可在半导体材料上，利用刻蚀方法使局部厚度变成几个微米而感受压力的敏感膜，从而避免了传统的把感压膜固定在装置上而产生的诸多不稳定因素。

除了敏感元件及其信号处理电路，调节机构甚至运动元件也都可以利用微加工技术集成在一起，在相对极小的空间里制作出测量和控制系统。

各种各样的微传感器已经问世，测量对象从机械量的位移、速度和加速度到热工学量的温度和基于温度特性的红外图像和流速，以及磁场、化学成分等应有尽有。

同传统传感器相比，微传感器具有体积小、质量轻、功能灵活、功耗小，以及成本低廉等特点。

20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。

此后的半个多世纪以来，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。

美国AD公司、美国加州大学Berkeley分校(UCB)、德国Dresden大学、日本Toyohashi大学等均开展了各种原理、结构的微加速度传感器的研究。

最成功的是美国AD公司的ADXL05和ADXL50系列单片集成差动电容式加速度计。

美国摩托罗拉公司批量生产汽车用MMAS40G电容式加速度计，选择双芯片设计制作技术，封装为双列直插式或单列直插式塑封，加速度测量范围为士40g,美国EG&G IC传感器公司建立了MEMS加工生产线，先后开发成功3255、3000系列压阻式加速度计，3255型主要用于汽车安全系统，敏感芯片与信号处理芯片封装在表面贴装的外壳内。

德国博世、日本电装公司也有类似产品。

加速度计面世后一直作为最重要的惯性仪表之一，用在惯性导航和惯性制导系统中，与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起受到重视。

这时候的加速度计整个都很昂贵，使其他领域对它很少问津，直到微机械加速度计(Micro Mechanical Accelerometer)的问世。

随着微机电系统技术的发展，微加速度计制作技术越来越成熟，国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。

微加速度计与通常的加速度计相比，具有很多优点：体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。

它可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域，具有广阔的应用前景。

我国从1992年开始致力于微加速度传感器的研究，很多研究单位单位均开展了各种结构的微型加速度传感器的研究，并取得了一些阶段性成果，但尚未具备批量生产的能力，与产业化相距甚远。

当前国内在加速度技术上仍沿用传统的压电技术，精度停留在5×10-5g水平上，而且尺寸偏大，重量偏重，影响我国惯导技术的先进性。

近年来国内虽然有多个单位MEMS微加速度计进行了研究，但在精度上仍未取得突破，大体上只能达到10-1g的水平。

二、微加速度传感器原理MEMS加速度传感器是以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础，在单晶硅片上制造出来的微机电系统，包括微机械加速度计、微机械陀螺仪和微惯性测量组合。

微加速度传感器的工作原理是经典力学中的牛顿定律，其功能是测量运动物体的质心运动和姿态运动，进而可以对运动物体实现控制和导航。

MEMS微加速度传感器与非MEMS为加速度传感器相比，其体积和价格可减少几个数量级，对国防具有重大战略意义。

三、微加速度传感器分类及主要介绍微加速度传感器可通过其加工技术、控制系统类型、敏感机理来分类。

加工技术主要有体加工和表面加工，它们都是基于硅微晶片的技术。

体硅工艺通过干法或湿法腐蚀技术将多余的硅除去，以形成质量块及悬挂系统，是一个减法过程，工艺流程简单，输出信号较大，但与集成电路工艺的兼容性较差；表面牺牲层工艺是让氧化硅膜和硅聚合物的膜生长在硅微晶片上，然后将作为牺牲层的氧化硅用湿法腐蚀的方法除去，是一个加法过程，与标准CMOS 工艺相兼容，而且能产生单片集成器件，但输出信号较小，对检测电路的要求比较苛刻。

控制系统类型一般可分为开环式和闭环式(即力反馈式)两种。

开环式加速度计结构上没有反馈控制端，质量块不会自动回到平衡位置(除非外加的加速度停止作用)；而闭环式加速度计在结构上有一个力反馈控制端，它用来把检测电路输出的电学量转变成静电引力，从而使质量块重新回到平衡位置。

由于力反馈式加速度计引入了负反馈，因而可提高器件的工作频带、动态范围及稳定性能，但同时也增加了结构的复杂性及对检测电路的要求。

应用于微加速度传感器的敏感机理很多，目前有文献报道的主要有压阻式、电容式、压电式、隧道式、谐振式、真空微电子式等形式。

压阻式加速度传感器通常采用压敏电阻作为敏感元件。

压敏电阻的电阻率变化与质量块的位移有关。

其工作原理是将被测加速度转换为硅材料的电阻率变化来进行加速度的测量。

首次报道的微加速度传感器为压阻式，最先商业化的微加速度传感器也为压阻式。

压阻式加速度传感器的结构通常很简单，加工工艺与IC技术兼容，具有良好的直流响应特性。

但是灵敏度很小(在20～50g量程下约为1～2mV/g)，温度效应严重，动态范围有限。

图压阻式微加速度传感器结构电容式加速度传感器的敏感元件为固定电极和可动电极之间的电容器，是目前研究最多的一类加速度传感器，一般采用悬臂梁、固支梁或挠性轴结构，支撑一个当作电容动板电极的质量块，质量块与一个固定极板构成一个平板电容。

其工作原理是在外部加速度作用下，校验质量块产生位移，这样就会改变质量块和电极之间的电容，将这种变化量用外围电路检测出来就可测量加速度的大小。

电容式加速度传感器有许多优点，比如高灵敏度、良好的直流响应特性、低温度效应和低功率耗散。

但是，由于传感器输出的高阻抗，电容式加速度传感器易受电磁干扰影响。

图电容式加速度传感器结构简图压电式加速度传感器的敏感元件是压电材料，压电材料直接将作用于质量块的力转换为电信号。

加速度传感器的质量块与压电材料相连，当输入加速度时，加速度通过质量块形成的惯性力加在压电材料上，使压电材料产生变形，压电材料产生的变形和由此产生的电荷(电压)与加速度成正比，输出电量经放大后就可检测出加速度大小。

压电式加速度传感器被认为是测量绝对振动的最好工具，因为与其他已知类型的加速度传感器相比，压电式加速度传感器有如下优点：动态范围宽，在全部动态范围内线性度好，频率范围宽，质量轻。

但是，由于电荷泄漏，压电式加速度传感器不适于测量线(零频)加速度，将压电薄膜与泄漏路径绝缘，可以达到接近零频率的平坦响应。

而且由于压电效应，压电式加速度传感器温度效应严重，使用差动敏感器件可以减小这种温度效应。

隧道电流式微加速度传感器由于其潜在的高性能和广阔的应用需求，一直以来成为研究的热点。

隧道电流式微加速度传感器的工作原理是利用电子势垒隧道效应，把输入的加速度转换为质量块的相对位移，再通过隧道效应将位移量转换为隧道电流的变化，最后用检测电路测出电流变化量从而获得相应加速度的大小。

隧道电流式微加速度传感器是加速度传感器在高灵敏度、高可靠性方面应用的一个典型代表，其频带宽、灵敏度极高，大约在10－9g左右，温度效应小，又由于质量块的机械活动范围小，因而线性度好，可靠性高。

但是隧道电流式微加速度传感器信号噪声大，工作电压高，加工难度大，成品率不高。

国内外许多研究机构在进一步增大隧道电流式微加速度传感器的灵敏度等方面做了很多研究工作，如H.Dong等人采用双面ICP制作了一种面外隧道电流式加速度传感器，降低了在面外方向由于ICP侵蚀构造产生的高虎克常数，从而增大了传感器的灵敏度。

图隧道电流式微加速度传感器结构简图谐振式微加速度传感器的工作原理是利用加速度使谐振频率发生变化，从而测量出加速度。

当传感器的平行梁形状改变时，刚度也会改变，两对谐振器分别感应惯性力，这会在谐振频率的变化上显示出来，使二者频率改变，比较这两个频率就可以测量出加速度的大小。

谐振式微加速度传感器的独特优点是可以直接输出数字，测量精度极高，是一种很有前途和应用价值的微加速度传感器，但是制作工艺复杂。

谐振式微加速度传感器能够满足某些领域如汽车行业对加速度传感器的高性能要求，国外许多文献对谐振式加速度传感器有所报道，但是文献数量较少。

在国内，清华大学微电子所于1999年研究了一种新型的谐振式硅微加速度传感器，以较低的成本获得了很高的器件性能。

北京航空航天大学的郭占社设计了一种用于对运动载体的运动线加速度进行测试的谐振式加速度传感器，该传感器采用差动式双端固支音叉作为敏感元件，从结构设计上提高了传感器的精度。

图谐振式微加速度传感器结构简图真空微电子式加速度传感器的工作原理是：阴极或阳极在加速度发生变化时将受力而发生位移，导致阴、阳极间距改变，从而使阴极表面场强和阴极发射电流发生变化，通过检测电流变化获得加速度。

该类加速度传感器抗辐射，体积小，灵敏度高，温度稳定性好，制作工艺与集成电路兼容，便于集成化批量生产。

图真空微电子式加速度传感器结构四、微加速度传感器应用微机械加速度计以其尺寸小、成本低的诱人特点不仅在传统应用领域得到的应用，而且在商业领域占据了广泛的市场。

低成本加速度计的商业应用领域主要有：民用航空、车辆控制、高速铁路、机器人、工业自动化、探矿、玩具等等。

不同的应用领域对加速度计的性能要求也是不一样的。

微机械加速度计在汽车上的应用包括安全控制功能，如车轮的操纵和自动刹车、气囊开启和防抱死系统等，从而组成高级安全汽车。

安全气囊是提高汽车行驶安全性的重要部件，是一种辅助的约束装置。