叉指电容式汽车安全气囊硅微加速度传感器的设计和分析
电容式加速度传感器在汽车安全系统...
传感器结业论文电容式加速度传感器在汽车安全气囊系统中的应用学生姓名：指导教师：所在学院：专业：电气工程及其自动化2012 年12 月本科毕业设计（论文）任务书摘要给出了一种基于MEM战术制作的微电容式加速度传感器的结构及工艺。
为了准确地把握这种微电容式加速度传感器的力学和电学特性，仔细地建立了它的力学模型。
在此基础上，详细分析了它的动态特性------------------- 模态。
并用有限元的方法分析和计算了微电容式加速度传感器的加速度与电容信号的非线性输入输出关系，并结合实测参数验证了模型的有效性。
最后提出了一种详细的有效的基于MEMSJ术的微电容式加速度传感器的结构以及加工工艺流程。
基于MEMS技术制作的微电容式加速度传感器具有结构简单、工作可靠和工作范围大的特点。
根据这套方法，可以比较方便地设计并加工不同测量要求的加速度计。
MEMS微机电系统）传感器在高档汽车中，大约采用25至40只MEM传感器,其中有安全气囊中的汽车安全气囊感应器。
气囊做为车身被动安全性的辅助配置，日渐受到人们的重视。
关键词：MEMS技术微电容微机电系统目录摘要 (I)前言 (III)1绪论 (1)1.1初步了解汽车安全气囊 (1)1.2汽车安全气囊系统与相应的各部件的功能 (1)1.3电容式加速度传感器在系统中的目的及意义 (2)2.电容式加速度传感器在系统中的工作原理 (2)2.1基于MEMS^术的微电容式传感器的模型及其原理 (2)2.2有限元模型分析与实测参数 (3)2.3工艺流程设计 (5)3.MEMS电容式加速度传感器在汽车安全气囊系统 (6)3.1 智能汽车安全气囊系统 (6)4. .............................................................................................. 电容式加速度传感器在汽车安全系统中的实际应用. (7)结论 (8)参考文献 (9)、八, 、■前言汽车安全气囊系统（简称SRS是辅助安全系统，它通常是作为安全带的辅助安全装置出现。
差分电容式硅微加速度计表头芯片的测试方法研究
正常表头芯片的中心硅摆片的自由活动性能曲线图 如图 5 所示：
图 5 表头芯片中心硅摆片自由活动性 C_V 曲线图
由该“C_V 曲线图”就可以对表头芯片差分电容的对 称性及中心硅摆片的运动特性做出准确判断；通过“吸合
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电压”及“释放电压”的数值还可对挠性筋质量及电极材 料质量做出定性分析。在测试过程中还可对各类失效的表 头芯片进行筛选和分析，如图 6、图 7 及图 8 所示为不同 类型的失效表头芯片的测试曲线图。
图 7 表头芯片故障现象 2
图 8 表头芯片故障现象 3
2.3 表头芯片的耐压测试
硅微加速度计在闭环电路工作过程中固定极板与中 心硅摆片间需承受一定的电压差，因此，在表头测试过程 中要进行耐压测试。该测试中所采用的耐压测试方法为， 逐级向表头芯片施加至所需耐压值的直流偏压，同时检测 被测电容的电容值、品质因子值及偏压回路的电流值（注： 在测试过程中需要采取措施防止直流电压对 LCR 表的影 响）。通过该项测试可以了解表头芯片的耐压程度，以及 在较大偏压下表头芯片的其它失效模式等信息。
图 9 表头芯片频率响应测试幅、频曲线图
3 结论
本文提出了一种通过静电激励-电容检测的方式对差 分电容式硅微加速度计表头芯片的电容对称性、中心硅摆 片自由活动性、耐压特性进行了测试。该项测试所描绘出 的“C_V 曲线图”可以对表头芯片的性能进行定性的分析， 在了解被测表头芯片电容对称性的基础上还可看出被测 电容及品质因子随加减直流偏压的变化情况，从而通过与 正常表头芯片测试曲线的对比分析相应故障表头芯片的 失效模式。表头芯片频率响应的测试可以提供更多关于表 头芯片动态响应特性方面的信息，为表头芯片随激励信号 响应的快速性及灵敏度等特性提供了必要的数据，从而与
第一二章电容式微加速度计的结构设...
第一章引言图１．１静电力驱动式微型夹钳“”２．电磁力驱动微型夹钳电磁力驱动微型夹钳的驱动器一般包括线圈和电磁铁等，线圈所产生的电磁场驱动电磁铁运动，推动夹钳的卡爪完成夹持动作。
这类微型夹钳的卡爪能获得较大范围的开合量，夹持动作响应快，无磨损，控制简单，但是电磁线圈的结构难于用ｌｃ工艺兼容（难于用ＩＣ工艺加工），而且体积大，无法做的很小，还不能称为微夹钳。
３．压电式微夹钳图１－２为压电式微夹钳，驱动源是压电变换器。
通过施加电压，压电变换器产生长度变化，使钳口张合。
此微夹钳具有可控输出，无摩擦，易制作等优点，但是以压电元件驱动的微夹钳受压电元件尺寸的限制，难以做得很小。
压电元件的逆压电效应产生的变形量很小，通常为几～十几微米，不能满足微尺度操作的要求。
一般采用机械增幅机构，利用杠杆原理，来放大位移。
经过二、三级的放大，可以将压电元件的变形量放大到几百微米。
机械增幅机构中多采用柔性铰链，柔性铰链适合于实现小范围偏转的支承，可以作为杠杆支点和构件间的铰接点，体积容易做得很小，无机械摩擦、无间隙。
图１．２压电式微夹钳…１８第一章引言４．形状记忆合金微夹钳上文中提到机械增幅机构，机械增幅机构中多采用柔性铰链，柔性铰链适合于实现小范围偏转的支承，可以作为杠杆支点和构件间的铰接点，体积容易做得很小，无机械摩擦、无间隙。
柔性铰链绕轴作复杂运动的有限弹性角位移时，储存了一定的弹性势能，当机械增幅机械去掉驱动力之后，机构可以靠柔性铰链的弹性能恢复处理和记忆训练后，它对原有的形状具有记忆能力。
利用这种记忆效应来夹持、释放物体，这就是形状记忆合金夹钳的基本原理。
形状记忆合金是一种功能材料，经过一定的热处理和记忆训练后，对原有的形状具有记忆能力。
利用此记忆效应来夹持，释放物体。
如图１．３所示，通过加热由形状记忆合金组成的驱动单元Ｉ，使其产生变形，引起驱动单元ＩＩ变形，从而使钳爪闭合；反之，温度下降，变形恢复，钳爪张开。
形状记忆合金具有较高机械性能，抗蚀性能好，可恢复应变量大，恢复力大，本身既是驱动材料，又是结构材料，便于实现机构的简化和小型化。
叉指”构造微加速度计的体系规划
叉指”构造微加速度计的体系规划使用MEMS技能研发静电伺服微加速度计，在享受了MEMS加工特色带来的体积小、功耗小、抗振能力强等优点的同时，也遇到了检测电容极小（10- 12F）、静电力反应力小等难题，要使微加速度计满意性能需求，有必要进行合理的体系规划。
研讨的“叉指”构造微加速度计属静电伺服微加速度计，由敏感芯片和伺服控制电路构成。
其敏感芯片用体硅干法技术加工而成，其显微照片如图1所示，芯片面积3.2mm′ 3.2mm。
当闭环体系为深反应时，惯性力与反应力就大小来说持平，即ma=Ffb，若视电容为抱负平板电容，上、下电容空隙持平，则a=2e SUdc × Uout /(md0)2，由此可见反应电压（也是输出电压）Uout与加速度a成正比，m为质量块质量，d0为上、下电容空隙，S为电容极板面积，e 为真空介电常数，Udc为直流偏压幅值。
该加速度计的体系框图如图2所示，整个体系包括表头、差分电容检测、沟通扩大、乘法器解调、低通滤波、PID调整、静电反应环节等环节，各环节传递函数及参数见表1。
体系闭环传递函数，要满意输出不受前向环节G(s)的影响，需求G(s)×Kfb?1。
因为Kfb仅为5.04′ 10- 6，故有必要很大，本体系的前向环节扩大倍数为5.4′ 107，开环扩大倍数271?1。
体系通过这样调整后，开环扩大倍数增大或减小50?刻度因数的变化现已很小了。
别的，因为差分电容检测电路引进一个微分环节，需求在校对环节中参加一个积分环节，才能使体系安稳。
依据表1参数，绘出体系的相位域度为45°，幅值域度为8.7dB。
同时，体系在受到1m/s2阶跃加速度信号作用时体系输出电压与时刻的联系标明，体系能敏捷安稳。
表1 体系各环节传递函数及参数环节传递函数表达式传递函数中的参数表头f = (ms2+cs+k)- 1m =5.04×10- 5g , c = 5.14×10- 1g/s , k =15 N/m差分电容检测Kpos = 2t s/ [(t s+1)2d0]- 1Udrt = RC0=0.1m s , Udr = 2V , d0 = 3.1m m沟通扩大KacKac =8′ 103乘法器解调Kdm = Udr /20正弦鼓励电压的幅值Udr=2V低通滤波c = (Ts+1)- 1T=0.05sPID校对(Kp× K1)× [ t ss (t 1s+1)]- 1Kp = 10s , K1 = 600s , t s = 1ms，t 1 = 0.15ms静电反应Kfb = (2e SVdc)/d02Kfb =5.04×10- 6体系开环扩大倍数(1/k)(2t /d0)UdrKacKdm(1/t )KpK1Kfb271使用表1参数调试电路，微加速度计的输出电压安稳，开环扩大倍数增大或减小50?刻度因数不变，刻度因数为100mV/g，与计算值相同。
mems电容式加速度计原理
MEMS电容式加速度计原理一、工作原理MEMS电容式加速度计是一种基于微机械加工技术制成的传感器，用于测量加速度。
其核心部分是可移动的感应质量块和固定电极，它们之间存在微小的间距。
在工作状态下，当被测物体发生加速度时，感应质量块会受到力的作用，从而产生位移。
这个位移量会改变感应质量块与固定电极之间的距离，从而引起电容值的改变。
通过测量电容值的变化，可以推导出物体的加速度。
二、结构设计MEMS电容式加速度计的典型结构包括一个可移动的感应质量块和两个对称的固定电极。
感应质量块通常采用单晶硅材料制成，形状为长方形或圆形，其两端固定在弹性梁上。
弹性梁的材料一般为氮化硅或石英，它们具有良好的弹性性能和稳定的热性能。
固定电极一般采用金属材料制成，与硅衬底形成电容器。
当加速度作用在感应质量块上时，感应质量块会沿着敏感轴方向产生位移，从而改变电容器的电容值。
三、电容变化当感应质量块发生位移时，它与固定电极之间的距离会发生变化，导致电容值的改变。
这个电容变化量可以通过外部电路检测并转换为电压信号输出。
在MEMS电容式加速度计中，通常采用差分电容检测方式来提高检测灵敏度和减小外界干扰的影响。
差分电容检测方式是将两个对称的电容器串联在一起，通过测量两个电容器的电容差值来推导出加速度值。
四、测量范围MEMS电容式加速度计的测量范围取决于其结构设计、制造工艺和材料选择等因素。
一般来说，MEMS电容式加速度计的测量范围在±2g 至±10g之间。
在实际应用中，可以根据需要选择适合测量范围的加速度计。
此外，为了减小测量误差和提高测量的稳定性，可以对加速度计进行温度补偿和线性补偿等处理。
五、方向测量MEMS电容式加速度计一般只能测量单一方向的加速度值，而要实现方向测量则需要使用多个加速度计。
一般来说，将多个MEMS电容式加速度计按不同的方向布置在同一个被测物体上，每个加速度计负责测量一个方向的加速度值。
通过对这些加速度值进行处理和分析，可以获得物体在三维空间中的运动状态和方向信息。
电容式MEMS加速度计的设计与制备技术研究
电容式MEMS加速度计的设计与制备技术研究MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是微机电系统的英文缩写，是将微米尺度的机械系统集成到微电子芯片中的一种技术。
MEMS技术被广泛应用于各种领域，包括传感器、生物医学、微电子器件等。
其中，MEMS加速度计是一种常用的MEMS传感器，用于测量物体在三个不同轴向上的加速度，并且可以识别物体的轴向。
电容式MEMS加速度计是MEMS加速度计中一种常用的构型。
它采用了电容原理，通过测量微机械加速度感应器上电容的变化来检测加速度。
电容式MEMS加速度计的设计与制备技术是MEMS技术领域内的热门研究方向。
本文将从几个方面论述电容式MEMS加速度计的设计与制备技术研究进展。
一、基本原理电容原理是电容式MEMS加速度计工作的基本原理。
电容是指两个金属板之间的介质的电容量。
当这两个板移动时，电容量会发生变化。
电容式MEMS加速度计中将一个金属板固定在MEMS芯片上，另一个金属板通过弹簧与芯片相连。
当芯片受到加速度作用时，会使另一个金属板发生相对运动，从而导致电容量的变化。
二、主要结构电容式MEMS加速度计的主要结构包括加速度感应器、电荷放大器、微控制器等。
加速度感应器是电容式MEMS加速度计的核心，在其中电容变化进行检测。
一般情况下，电容式MEMS加速度计中还安装有环境和其他干扰的过滤器以保证测量的准确性。
通过对电容变化进行放大和处理，数据可以传输到微控制器中进行处理和分析。
三、制备材料电容式MEMS加速度计的制备材料主要包括金属材料、绝缘材料、机械支撑材料等。
电容式MEMS加速度计中金属材料一般采用铝、金、铜等。
这些材料的选择主要考虑其机械性能和电学性能。
对于绝缘材料的选择，一般会选择具有较好电介质性能的材料，如氧化硅、氮化硅等。
机械支撑材料则需要具有较好的强度和尺寸稳定性。
四、制备工艺电容式MEMS加速度计的制备工艺一般分为两个部分，即MEMS芯片制备和封装。
电容式微加速度传感器信号处理电路的设计
电容式微 加速度传感器信号处理 电路 的设计
刘海涛 ， 温志渝 ， 中泉 温
（ 重庆 大学光电工程 学院微系统 中心 ， 重庆 ４ ０ ３ ） ０ ０ ０
摘 要 ： 介绍了一种新型的电容式微加速度传感器的信号处理电路 ， 可以用来检测电容式微加速度传感器敏感的加速度． 该
１ 电容式微 加速度传 感器 的工作原理
电容式叉指 型硅微加速度器敏感元的结构如图 １ 所示［ ， ３ 加速度 由中央叉指活动极板 与若干个 固
定极板组成． 硅制活动极板通过一对支撑梁与基座
为电容的差分变化量信号 ， 产生的瞬时输 出信号将
正比于加速度的大小． 运动方 向则通过输 出信号的
ｔ ｅｃｒｕ ｔ ｎ ｅ ｕ ｌｏｉ ｒ ｖ ｈ ｅ ｆ ｆ ａ ｃ ｆｔ ｅｓ ｎ ｏ ． ｈ ｉｃ ｍｓａ ｃ ，ｂ ｔａｓ ｍｐ ｏ ｅｔ ｅ ｐ ｒｏ ｉ ｎ ｅｏ ｈ ｅ ｓ ｒ ｎ
Ｋｅ ｒ ｓ ｃ ｐ ｃｔ ｅ ；ｍ ｉｒ － ｃｅｅ ｏ ｅｅ ；ｓｇ ａ ｒ ｃ ｓ ；ｃ ａ ｇ ｅ ｓｔ ｉ ；ｃｏ ｅ ｌｏ ｙｗｏ ｄ ：ａ ａ ｉｉ ｖ ｃ ｏａ ｃ ｌｒ ｍ ｔ ｒ ｉｎ ｌ ｏ ｅ ｓ ｈ ｒ ｅｓ ｎ ｉｉ ｔ ｐ ｖ ｙ ｌｓ －ｏ ｐ
指和其两个电极， － ２ ］如图 ｌ ４ 所示． 即最后加速度的信号变
前广为关注 、 研究开发度极 高 的一种微 型加速 度 传感器． 对微 小差分 电容的变 化量 的检测是一 但
个难题 ， 而且处理 电路 的设计 要求能 减少外部 环 境 和寄生电容 的干扰［ ． ２ ］
维普资讯
第ｌ 卷 ９
第５ 期
硅微电容式、隧道式加速度计检测技术研究的开题报告
硅微电容式、隧道式加速度计检测技术研究的开题报告一、背景介绍加速度计是一种广泛应用于工业生产、机械制造和航空航天等领域的传感器。
它能够检测物体在运动或受力的过程中的加速度。
目前，常见的加速度计有电容式、压电式、磁电式等多种类型。
其中，硅微电容式加速度计和隧道式加速度计被广泛应用，具有高灵敏度、高精确度、小体积和低功耗等优点。
硅微电容式加速度计是一种基于微机电系统（MEMS）技术制造的加速度计。
它采用硅晶圆作为ASIC芯片的基底，通过微细加工技术制造出微小的加速度感受器件，并与电路连接。
硅微电容式加速度计可以实现大范围的加速度检测，广泛应用于航空、汽车、电子等领域。
隧道式加速度计是一种基于量子力学原理的传感器。
它利用隧道效应来测量加速度。
隧道式加速度计具有高精确度、高灵敏度、小体积等优点，特别是在高精度导航、航天器姿态控制等领域中得到广泛应用。
然而，硅微电容式和隧道式加速度计在实际应用中也存在一些问题，如温度漂移、失效率高等。
因此，对硅微电容式和隧道式加速度计技术进行研究和改进，以提高其性能和应用范围具有重要意义。
二、研究目标本课题旨在研究硅微电容式和隧道式加速度计的检测技术，探索解决其存在的问题，提高其性能和稳定性。
具体研究目标如下：1. 研究硅微电容式和隧道式加速度计的工作原理和特点，分析其存在的问题和改进空间；2. 设计硅微电容式和隧道式加速度计的检测系统，包括传感器设计和数据采集系统，以实现对加速度的精确检测；3. 探讨硅微电容式和隧道式加速度计的温度漂移问题，并设计解决方案，提高其稳定性和精确度；4. 研究硅微电容式和隧道式加速度计的失效率问题，设计改进措施，提高其可靠性和寿命；5. 对实验数据进行分析和处理，验证所设计的检测系统的可行性和有效性。
三、研究内容1. 硅微电容式加速度计的检测技术研究（1）分析硅微电容式加速度计的工作原理，研究电容变化与加速度的关系；（2）设计硅微电容式加速度计的传感器和数据采集系统，建立检测系统；（3）实验验证传感器和检测系统的性能和精度；（4）分析硅微电容式加速度计的温度漂移原因，提出解决方案；（5）分析硅微电容式加速度计失效的原因和影响，提出改进措施。
传感器实验分析
固态传感器及其集成化实验报告实验一叉指电容式开环加速度计原理1. 实验目的（1）通过实验熟悉微加速度计的工作原理及其应用，进一步加深对固态传感器概念与特性的理解。
(2)学习加速度计整体电路模块的设计和仿真。
2. 开环电容式加速度计原理简介叉指式微加速度计是一种典型的微机电系统产品，由于它的高灵敏度、好的直流响应、低噪声、低漂移、对温度的敏感性低、低能耗、结构简单的优点，使其有着广泛的应用前景，也是目前国内外攻关的热点之一.微加速度计涉及到多学科领域的相互作用，如何用模型来较为准确地反映各个领域间的相互作用关系以及如何实现机电混合系统的接口，是设计的关键，一直是比较难于解决的问题•论文采用了一种新的建模仿真法，即原理级描述仿真法，建立了叉指式微加速度计的参数化机电混合系统模型，对其进行分析研究.该文研究了弹性梁参数对加速度计结构谐振频率、灵敏度、交叉耦合误差的影响趋势，在此基础上给出了一组优化了的弹性梁参数；分别研究了开环和闭环系统检测方式下静电力作用对加速度计性能的影响、吸附现象及弹簧的静电软化现象，在此基础上给出了偏置电压、检测激励信号的取值规则；研究了叉指式微加速度计的动态响应特性，在此基础上优化了电路结构及参数.论文的主要研究结论与实验结果一致.2.1.微结构的工作原理加速度传感器是一种惯性传感器，其基本结构是由弹性梁和惯性质量组成的转换系统，可以等效成由质量、弹簧组成的单自由度二阶阻尼振动系统，利用系统的在低频区的线性频率响应实现对被测参量一一加速度的测量。
加速度传感器的机械部分可以表征为如图2-1所示的系统结构。
A kJm图2-1加速度传感器的机械系统原理其中m为振动块质量，R为阻尼系数，k为弹性系数，a为加速度，根据牛顿第二定律可建立振动微分方程：(2-1) 将仿真(2-1)进行拉普拉斯变换：(2-2)(2-3) 其中为固有谐振频率，为品质因数。
为了方便使用，我们把单位加速度作用下的质量块位移定义为加速度传感器结构的灵敏度。
第5章-硅电容式微传感器PPT课件可编辑全文
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5.4 检测与质量保证
电容式加速度传感器的可动极板与固定 极板组成的空气间隙一般在微米数量级 上，这样传感器的动态特性就由机械系 统-声系统的相互作用效应来决定，其中 主要是可动系统中的空气阻尼的作用。
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5.4.1 加速度计的静态校准
地球重力场法 负载法 离心机法
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图5-20 XJ2-1线加速度模拟台
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提高硅压力传感器可靠性的措施 通常有：
①在一定的功能下，其设计方案 愈减愈好，器件数量愈少愈好；
②对器件实行减额使用，减轻其 负荷量等。
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其结构主要有梁-质量块结构以及叉 指电容式结构。
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⒈梁-质量块式结构
图5-1 加速度传感器工作原理图
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⒉叉指式结构
图5-2 微电容加速度计的结构示意图
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图5-3 叉指式差分电容式加速度传感器的工作原理
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常见微梁
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图5-4 单梁叉指结构图
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图5-5 双梁叉指结构图
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图5-6 四梁叉指结构图
5.2.1 硅微加速度传感器设计
①柔韧性设计原则 ②强度设计原则 ③同向性原则 ④灵敏性设计原则 ⑤弹性线性设计原则
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⒈梁-质量结构设计
图5-13 梁-质量块结构
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5.2.2 硅集成压力传感器设计
图5-14 硅电容敏感器件结构图
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圆膜挠度计算
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5.2.3 等效电学模型
⑴感湿介质 常用的湿度传感器感湿介质主要有：多
MEMS硅膜电容式压力传感器的基本原理和结构设计
MEMS 硅膜电容式压力传感器的基本原理和结构设计基本原理和结构电容式压力传感器的基本结构如图1 所示。
式中：ε0 为真空中的介电常数;t 为绝缘层的厚度;εr 为绝缘层的相对介电常数;g 为零载荷时电容器两极板之间的初始距离;ω（x，y）为极板膜的中平面的垂向位移。
由公式可知，外界压力通过改变电容的极板面积和间距来改变电容。
随着压力慢慢增大，电容因极板间距减小而增大，此时电容值由非接触电容来决定;当两极板接触时，电容的大小则主要由接触电容来决定。
传感器的设计与制造敏感薄膜是传感器最核心的部件，其材料、尺寸和厚度决定着传感器的性能。
目前敏感薄膜的材料多采用重掺杂p 型硅、Si3N4、单晶硅等。
这几种材料都各有优缺点，其选择与目标要求和具体工艺相关。
硅膜不破坏晶格，机械性能优异，适于阳极键合形成空腔，从简化工艺的目的出发，本方案选择硅膜。
利用有限元分析软件ANSYS 对接触式结构的薄膜工作状态进行了模拟。
材料为Si，膜的形状为正方形，边长1000 μm，膜厚5 μm，极板间距10 μm。
在1.01&TImes;105Pa 的大气压力下，薄膜中央接触部分及四个边角基本不受应力，四边中央应力最大为1.07 MPa，小于硅的屈服应力7 MPa，其应力分布如图2 所示。
整个制造流程都采用标准工艺，如图3 所示。
先热氧化100 nm 的SiO2，既作为腐蚀Si 的掩膜，又作为电容两电极的绝缘层。
利用各向异性腐蚀形成电容空腔和将来露电极的停刻槽，如果硅片厚度一致且KOH 腐蚀速率均匀，此法可以在相当程度上等效于自停止腐蚀。
从玻璃上引出电容两电极，然后和硅片进行阳极键合。
键合片利用KOH 腐蚀减薄后反应离子深刻蚀露出测量电极。
一种电容式加速度传感器
一种电容式MEMS线加速度传感器的设计一．MEMS以及传感器介绍MEMS即微机电系统,是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。
经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。
它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。
所谓传感器就是一种将能量从一种形式转变成另一种形式，并针对特定可测量的输入为用户提供一种可用的能量输出的器件。
以半导体技术和微机电加工工艺设计、制造的MEMS传感器，集成度高，并可与信号处理电路集成在一起，大大降低了生产成本，已在汽车、消费电子和通信电子领域取得极大发展。
二．MEMS加速度传感器特点和应用随着微机械系统和微加工技术的发展，微型传感器也随之迅速发展。
惯性系统已广泛用于航天，航空，民用领域为目前各种航行体上应用的一种主要导航设备，能够提供比较精确的姿态与多种导航信息。
我们利用惯性敏感元件和初始位置就可以确定载体的动态位置、姿态和速度。
而加速度计作为惯性系统的一个核心敏感器件，虽然较陀螺仪发明较晚，但是发展速度很快。
因此，此次对于MEMS 加速度传感器的研究对于了解专业发展前沿和激发自己的学习兴趣都有很大的帮助和意义。
根据原理不同，MEMS加速度传感器按敏感原理可以分为压阻式、压电式、电容式、谐振式、热电藕式和隧穿式等几大类。
MEMS加速度传感器尺寸微小，测量准确，精确度高等特点广泛用于工程，医学，生物等各个领域。
随着仪表本身性能的提高，其前景也会越来越好。
目前情况看，MEMS惯性传感器主要市场是在低精度，小体积，高可靠性和量大面广的应用领域，倾斜度侦测、运动检测、定位侦测、震动侦测、振动侦测、自由落下侦测，在生产生活中所应用各种侦测时加速度传感器起着至关重要的作用，从而广泛应用于自动化控制、检测、军工、消费工业、电子工业，汽车工业等。
在民用领域，MEMS加速度计和MEMS陀螺仪的需求如表4所示：汽车工业是MEMS惯性传感器的一个巨大市场。
一种叉齿式微硅加速度计的设计与分析
０ 引 言
真分析 可 以设 计 出一定 尺寸 的微 结构加 速 度计 ， 以 满足对加 速度计 的谐 振频率 和抗 冲击 能力 等各项力 学性能 的要求 。
Ｉ 总 体 结 构 设 计 １ １ 总 体 微 结 构
以微 机械 加工工艺 和集 成 电路 工艺为基 础 的微 机 械硅 加速 度计 在军 民两用 市场 上有着广 阔 的应 用 前景。 在宇航领域 ， 航天 员舱 外机动装 置 以及 微小卫
Ｋｅ ｗｏ ｄ ： Ｍ ｕ ｔ ｆ ｇ ｒ Ｍ ｉｒ ｍｅ ｈ ｎ ａ ｓｌ ｏ ａ ｅ ｒ ｍｅｅ ； Ｆ ｌ ｅ ｂ ａ ； Ｆ ｎｔ ｅｅ ｎ ａ ａ ｙ ｉ ｙ ｒｓ ｌ —ｉ ｅ ； ｉ ｎ ｃ ｏ ｃ ａ ｋ ｌ ｉ ｃ ｎ ｃ ｄｅ ｏ ｔｒ ｉ ｏｄ ｄ ｅ ｍ ｉ ｉｅ ｌｍｅ ｔ ｎ ｌ ｓｓ （ ＥＡ） Ｆ ；Ｒｅ ｏ ｕ ｉｎ ｓｌｔ ｏ
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ｓ ｌｃ ｎ ａ ｃ ｌ ｒ ｍ ｅ ｅ ｉｉ ｏ ｃ ｅ ｅ ｏ ｔｒ
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星变 轨和 姿态 的有 源控 制 中 ， 机 械 硅加 速度 计均 微
有应 用。在结构 设计 阶段必 须对其进 行力 学仿 真分 析， 以便预 测 加工 出来 的原理样 机 的振型 图谱 和各 模 态的谐 振频 率 ， 以及 对 其在 使用 条 件下 的摆片 位 移 、 力分 布等做 到心 中有 数 。 应 而微 结构 梁是影 响加 速 度计 各项力 学参 数 的最 重 要 的部 位 ， 其进 行 仿 对
传感器及应用：微硅加速度传感器
课题四 微硅加速度传感器
[任务导入]
汽车安全气囊系统在碰撞发生时，碰撞加速度 传感器能将感受到的加速度信息转换为电信号送往控 制单元，控制单元中的微处理器对加速度进行处理和 识别，判断事故性质。
当确认是碰撞事故时，控制单元输出点火信号给 气体发生器，产生大量压力气体，向气袋充气。气袋 冲破气囊盖形成充弹性体托住乘员的头部、胸部。
2022/4/1
本课题作业：
1、常用的微硅加速度传感器的类型？ 2、微硅加速度传感器的特点和应用领域? 3、微硅加速度传感器的温度补偿方式？
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一、压阻式微硅加速度传感器原理
压阻式加速度传感器主要由一个悬臂梁构成， 梁的一端固定，另一端悬挂一个能感应由加速度产 生的作用力的质量块。
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这种传感器一般为三层 结构：
顶盖和底盖通常为玻璃 或硅片，起密封和过载保护 作用，底座上还有前置放大 和各种补偿电路；中间层用 体硅加工工艺加工出的悬臂 架和质量块，在悬臂架上用 离子注入工艺制作出应变电 阻器。
微硅加速度传感器为芯片级产品（左图为该芯 片的引脚结构），因此它与信号采集设备连接之前 需要一定的硬件接口电路。
接口电路板上除了放置传感器芯片外，还包括 稳压电路、抗混滤波电路、温度补偿电路等部分。
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硅传感器内部组件及其与主要外围期间的连接如 图所示。通过串入电阻R2，并入旁路电容C3和C4， 滤波电容C1、C2，以电压形式从右下端管脚输出两 个相互垂直方向的振动信号。
当质量块受到力运动时
，由于应变效应，电阻器的 阻值变化，通过电桥检出电
阻变化量，以求得加速度值 。
经过20年的研究和开发，压阻式加速度传感器的 设计已经比较成熟，它具有加工工艺简单，测量方 法易行，线性度好等优点，得到广泛应用。
电容式微加速度传感器
电容式微加速度传感器的应用与发展引文：现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。
在诸如军工、空间系统、科学测量等领域，需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。
以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。
于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。
这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化。
而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，它的性能价格比很高。
可以预见在不久的将来，它将在加速度传感器市场中占主导地位。
电容式微加速度传感器是基于电容原理的极距变化型电容传感器，其中一个电极是固定的，另一变化电极是弹性膜片。
弹性膜片在外力（气压、液压等）作用下发生位移，使电容量发生变化。
这种传感器可以测量气流（或液流）的振动速度（或加速度），还可以进一步测出压力。
电容式微加速度传感器因具有如下一些特点而受到重视；①很高的灵敏度和测量精度}②良好的稳定性；③温度漂移小；④功耗极低；⑤良好的过载保护能力；⑥便于利用静电力进行自检。
本文将对电容式微加速度传感器的结构和特点加以介绍，并对这类传感器的若干关键技术及研究方向进行探讨，以及他的应用领域分析。
目前研究的现状和未来发展趋势1 立体硅工艺电容式微加速度传感器硅是制作无滞后弹性元件的理想材料。
利用各向异性刻蚀、阳极键合等硅整体加工技术，可在硅材料上制出尺寸微小的电容式加速度传感器。
其成本与压阻式硅微加速度传感器相近，但灵敏度、分辨率、精度、动态范围和稳定性均忧于压阻式。
这种传感器早期多采用开环工作方式，现在大多采用闭环方式。
静电力平衡式就是一种闭环工作方式，原理见图1。
敏感质量块(活动电投)的位移被测量电容c．、c：拾取，得到输出电压，再反馈到施力电极A-、A 上，产生静电力作用于敏感质量块。
该静电力抵消了惯性力的作用，使质量块回到并保持在原位景，测量电容的输出保持为零。
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（ ２ １）
电刚 度 （ 静 电力 引 起 的 劲 度 系 数 ） 即 为
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微 机械加速 度 计一般 由敏 感元件 、信 号 传 感 器 和 力 矩 器 三 部 分 组 成 。 敏 感 元 件 通 常 为 微 加 工 技 术 加 工 出 来 的 敏 感 质 量 块 ，它 用
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静 电力 是 叉 指 电容 的 可 动 叉 指 和 固 定 叉 指加 极性相 反的 电压 引起 的库 伦吸 引力 。静 电力 作 用 在 敏 感 元 件 上 ， 系 统 会 产 生 一 个 负 刚 度 ， 从 而 改 变 系 统 的 属 性 。 因 此 ， 静 电 力
当 极 板 间 的 遮 盖 面 积 为Ａ，极 板 间 介 质 的 介 电 常 数 为 ｅ，初 始 极 板 间距 为 ｄ时 ， 初 始 电
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加 速 度 计 的 基 本 原 理 基 于 牛 顿 第 二 定 律 ， 它 通 过 敏 感 相 应 的 惯 性 力 来 间 接 测 量 加 速度 。
当：，＝ 即 器 化 等１ 等 电 的 时 ，容 变
量 △ｃ 似 和 位 移 Ａｄ 正 比 。 但 仍 有 二 次 及 近 成 加 速 度 计 的系 统 结 构 图
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ＥＷｈ Βιβλιοθήκη （１ １） 根据 电容结 构的 不 同，又可 以把 电容加 速 度传感 器分 为平板 电容式 和插 指 电容 式 ， 插 指 结 构 能 实 现 ｚ 的 加 速 度 测 量 ， 灵 敏 度 轴 高，本文 中的设计正是基于插指 电容 。
ｃ 电 容加 速 度 计 原理 ．
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簧的弹性系数。 对上式进行Ｌ ｐａｅ 换，得到敏感元件 ａ ｌｃ 变 的传 递 函数 为
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状插 指 电容 加速度 传感 器的设 计 方案进行 了 分析 、研 究和仿 真。该 加速度 传感 器使 用 同 衬 底 上 整 合 的 独 立 的 相 互 垂 直 的 梳 状 插 指 电 容 结 构 ， 实 现 平 面 上 的 加 速 度 监 测 ， 灵 敏 度和分辨率满足汽车安全气囊用要求。 关键 词 ：Ｍ Ｍ ；加 速度传 感 器；安全 气 ＥＳ
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单 根长度 为Ｌ 的悬 臂梁 ，一端 固定 ，另 ０ 端 自 由。
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其中，
微 加 速 度 计 的原 理
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Ａ 各 种 加 速 度 传 感 器 比较 ． 自上 个 世 纪 ８ 年 代 以 来 ， 随 着 对 硅 微 型 Ｏ
加 速 度 计 原 理 研 究 的 深 入 ， 硅 微 型 加 速 度 传 感 器 的 类 型 日益 多 元 化 ， 按 照 敏 感 元 件 的 不
嘞：
机 械 系 统 的谐 振 频 率 ，
其 中Ｅ 梁 的 弹 性 模 量 ， 和 分 别 是 悬 是 臂梁 的 宽度 和 长度 。 左 端两 个锚 点 固 定的 悬 臂梁 相 当于将 ２ 个 长 度 为 的 弹 簧 并 联 ，等 效 刚 度 系 数 为 ２ ； 同 样 右 端 两 个 锚 点 固 定 的悬 臂 梁 的 等 效 刚 度 系 数 也 为 ２ 。 所 有 悬 臂 梁 对 质 量 块 是 并 联 岛
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摘要 ： 本 文 对 一 种 基 于Ｍ Ｍ 技 术 的 ２ Ｄ ＥＳ －梳
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叉 指 电容 式汽 车安 气囊硅 微 加 速 度 传 感 器 的 设计 和 分析 全
北京 ）
用 悬 臂 梁 作 为 差 值 电容 的 支 撑 ， 一 端 用 锚 点 固 支 ， 在 另 一 端 加 自 由应 力 时 ， 悬 臂 梁 将 发 生 形 变 。 在 小 应 变 下 ， 自由 应 力 和 自由 端 的 位 移 成 线 性 关 系 ， 可 以将 悬 臂 梁 等 效 为 个劲度系数为ｋ 弹簧 。 的
同 ， 可 以分 为 压 阻 式 、压 电 式 、 电 容 式 、 隧 穿 式 、 热 传 导 式 、谐 振 式 以 及 光 学 式 传 感 器 等 等 ［］ １。
Ｂ 电容 式 加 速 度 传 感 器 ． 电容 式 微 加 速 度 计 是 在 硅 片 上 腐 蚀 加 工
ｐ： 比， ｂ 品 质 因 数 。 可 以 看 到 ， 该 系 统 是 一 个 两 极 点 系 统 ， 且 极 点 为 一 对 共 轭 极 点。
。
出 质 量 块 和 用 其 他 工 艺 获 得 电极 ，从 而 使 质 量 块 和 电 极 之 间 形 成 电 容 。 通 过 质 量 块 在 惯 性场 中变化形成 电容变化来敏感加速度 。
”
当 活 动 板 １ 被 测 物 体 的 作 用 下 向 固 定 板 在 ２ 移 △ｄ ， 此 时 电容 Ｃ 位 时 为
来 敏 感 外 界 的 加 速 度 ， 并 产 生 于 支 撑 框 架 之
以上 非 线 性 项 的存 在 。 极 板 １ 极 板２ 固定 极 板 ，极板 ３ 和 是 是可
间 的 相 对 位 移 （ 偏 转 ） 信 号 传 感 器 测 量 检 或 ； 测 质 量 相 对 支 撑 框 架 的 位 移 （ 偏 转 ） 并 转 或 ， 化 为 电 信 号 输 出 ； 力 矩 器 的 作 用 是 产 生 ～个 约 束 力 来 平 衡 检 测 质 量 的惯 性 力 ，将 检 测 质 量 紧 紧 约 束 在 其 标 称 位 置 上 ， 根 据 力 平 衡 关 系 即可 用 此 约 束 力 大 小作 为 加 速 度 的质 量 。