微加速度计设计全解61页PPT
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。
MEMS加速度计的原理及运用
MEMS加速度计的原理及运用目录1.MEMS加速度计基本原理分析1.1 MEMS简介1.2微加速度计的类型1.3 差分电容式加速度计的结构模型及其工作原理1.4 MEMS微加速度计的制造工艺1.5 MEMS微加速度计主要性能指标的设计和控制1.6 MEMS加速度计的其它结构1.7 各厂商MEMS加速芯片参数对比1.8 线性度1.9灵敏度与功耗2．MEMS加速度计国内外现状3．微加速度计的发展趋势4．MEMS加速度计应用前景分析5．用MEMS加速度计测量加速度、角度1.1MEMS简介随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功，应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计（microaccelerometer）就是惯性传感器件的杰出代表。
微加速度计的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。
如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。
结合陀螺仪（用来测角速度），就可以对物体进行精确定位。
根据这一原理，人们很早就利用加速度计和陀螺进行轮船，飞机和航天器的导航，近年来，人们又把这项技术用于汽车的自动驾驶和导弹的制导。
汽车工业的迅速发展又给加速度计找到了新的应用领域，汽车的防撞气囊（Air Bag）就是利用加速度计来控制的。
作为最成熟的惯性传感器应用，现在的MEMS加速度计有非常高的集成度，即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。
本文将就微加速度计进行初步设计，并对其进行理论分析。
1.2 微加速度计的类型1.2.1 压阻式微加速度计压阻式微加速度计是由悬臂梁和质量块以及布置在梁上的压阻组成，横梁和质量块常为硅材料。
当悬臂梁发生变形时，其固定端一侧变形量最大，故压阻薄膜材料就被布置在悬臂梁固定端一侧（如图1所示）。
当有加速度输入时，悬臂梁在质量块受到的惯性力牵引下发生变形，导致固连的压阻膜也随之发生变形，其电阻值就会由于压阻效应而发生变化，导致压阻两端的检测电压值发生变化，从而可以通过确定的数学模型推导出输入加速度与输出电压值的关系。
微加速度计原理与应用
微加速度计原理与应用微加速度计原理与应用a在20 世纪40 年代初，由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，由于航天、航空和航海领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，性能和精度也有了很大的完善和提高。
加速度计面世后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。
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的问世，这种状况才发生了改变。
随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功，应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计就是惯性传感器件的杰出代表。
微加速度计的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。
如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。
结合陀螺仪（用来测角速度），就可以对物体进行精确定位。
根据这一原理，人们很早就利用加速度计和陀螺进行轮船，飞机和航天器的导航，近年来，人们又把这项技术用于汽车的自动驾驶和导弹的制导。
汽车工业的迅速发展又给加速度计找到了新的应用领域，汽车的防撞气囊就是利用加速度计来控制的。
微加速度计的工作原理微加速度计的结构模型如图所示：它采用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应加速度。
图中只画出了一个基本单元。
它是利用比较成熟的硅加工工艺在硅片内形成的立体结构。
图中的质量块是微加速度计的执行器，与质量块相连的是可动臂；与可动臂相对的是固定臂。
可动臂和固定臂形成了电容结构，作为微加速度计的感应器。
其中的弹簧并非真正的弹簧，而是由硅材料经过立体加工形成的一种力学结构，它在加速度计中的作用相当于弹簧。
当加速度计连同外界物体（该物体的加速度就是待测的加速度）一起加速运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。
质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制。
MEMS加速度计
MEMS加速度计MEMS加速度计(电容式)——即加速度传感器天津⼤学电科MEMS PPT演⽰⽂稿以上⼤家看到的各种神奇功能的实现必不可少的便是我们今天的主题——微机械加速度计，（mems加速度计，电容式mems 加速度计！）历史实际上，加速度计早就已经出现在我们的⽣活中，1657年，某⼈就发明了这个依靠加速度计计量时间的摆钟。
到了⼆⼗世纪，各种原理的加速度计如⾬后春笋⼀般涌现，1928振弦式，1938电阻式，1943压电式，1960压阻式，1973压电式，1979电容式。
在前⾯同学的精辟分析后/后⾯将还有⼀组同学向⼤家集中讲解压阻式加速度计，我们主要给⼤家介绍的是电容式加速度计。
原理常见的微加速度计按敏感原理的不同可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式、热对流式等；按照加⼯⼯艺⽅法⼜可以分为体硅⼯艺微加速度计和表⾯⼯艺微加速度计；按⼯作⽅法⼜可分为开环加速度计和闭环(静电⼒平衡式)加速度计两种关于电容我们都很熟悉，图（a）就是在电容的上下极板上下运动的时候电容会发⽣变化，图b就是极板左右移动的时候电容发⽣变化，图c就是当极板中间插有介质，介质运动时电容也会发⽣变化电容式微加速度计的基本原理，就是利⽤电容来检测加速度场中检测质量在惯性⼒作⽤下的微位移。
由于微位移将引起检测电容的变化，检测电容信号经过前置放⼤、信号调理后，以直流电压⽅式输出，从⽽间接实现对加速度的检测。
根据平⾏板电容的计算公式：。
，可以通过改变极板叠合⾯积A、极板间隙d或极板间介质的相对介电常数等参数来调节电容值的⼤⼩。
反过来，也可以根据检测电容的变化，确定引起电容变化原因，进⽽实现对某些物理量的检测。
电容检测⽅式有三种：变介电常数型、变⾯积型和变极板间隙型。
在微加速度计的设计时，考虑到易于实现集成，常采⽤变极板问隙型检测⽅式来检测加速度。
电容值和极板间隙不是线性关系，常常采⽤差动电容检测⽅式以解决线性问题差动检测电容由公共活动电极(常为检测质量)和两个固定电极形成：在满⾜Ad<⽬前主要有三种结构形式的变间隙电容式微加速度计，分别是“三明治"式、“扭摆式"式和梳齿式结构。
加速度计原理-PPT课件
电容式微加速度计就是在上图所示的检测质 量下面设置一读取电极。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。
由于加速度测量的精度直接影响惯性导航系 统的精度，惯性导航系统对加速度计的要求 灵敏限小：灵敏限以下的值不能被测量到， 因此其本身就是误差，而且形成的速度误差 和位置误差会随时间积累。用于惯性导航的 加速度计灵敏限必须要求达到10-5g，有的 达到10-7g或10-8g 磨擦干扰小：为敏感到极小的加速度并绕输 出轴转动，必须保证转轴中的磨擦力矩很小
挠性摆式加速度计
挠性摆式加速度计与液浮加速度计的主要 区别在于它的摆组件不是悬浮在液体中， 而是弹性地连接在挠性支承上，挠性支承 消除了轴承的摩擦力矩。如上图，摆组件 的一端通过挠性支承固定在加速度计的壳 体上，另一端可相对输出轴转动，传感器 线圈和力矩器线圈固定在壳体上。 挠性摆式加速度计的工作原理与液浮摆式加 速度计相类似，同样是由力矩再平衡回路 所产生的力矩来平衡加速度所引起的惯性 力矩。
摆组件放在一个浮子内，浮液产生的浮力能 卸除浮子摆组件对轴承的负载，减小支撑磨 擦力矩，提高仪表的精度。浮液不能起定轴 作用，因此在高精度摆式加速度计中，同时 还采用磁悬浮方法把已经卸荷的浮子摆组件 悬浮在中心位置，使它与支撑脱离接触，进 一步消除磨擦力矩。浮液的粘性对摆组件有 阻尼作用，能减小动态误差，提高抗振动和 抗冲击的能力。
微机械加速度计又称硅加速度计，它感测加 速度的原理与一般的加速度计相同。微机械 加速度计分为压阻式、电容式、静电力平衡 式和石英振梁式。 硅制检测质量由单挠性臂或双挠性臂支撑， 在挠性臂处采用离子注入法形成压敏电阻。 当有加速度a输入时，检测质量受惯性力F作 用产生偏转，并在挠性臂上产生应力，使压 敏电阻的电阻值发生变化，从而提供一个正 比于输入加速度的输出信号。
加速度计原理课件
02
理
牛顿第二定律与加速度计
牛顿第二定律
物体加速度的大小与作用力成正比，与物体的质量成反比。在加速度计中，这个 原理用于测量加速度。
加速度计中的力平衡系统
通过测量施加在已知质量的物体上的力，可以计算出加速度。力平衡系统通常由 弹簧和阻尼器组成，用于保持物体的平衡状态。
压电效应与加速度计
压电效应
某些材料在受到压力时会产生电势， 反之在电场作用下会发生形变。压电 效应是加速度计中测量加速度的关键 机制之一。
分辨率
指加速度计能够检测到的最小加速度值。分辨率越高，测量精度越 高。
总结词
分辨重要参数。
详细描述
在振动、冲击等复杂环境中，高分辨率的加速度计能够更好地捕捉 到微小的加速度变化，为分析提供更准确的数据。
线性度
01
线性度
指加速度计的输出与输入之间的线性关系。线性度越高，测量结果越准
校准设备
需要振动台、信号发生器、数据采集与分析系统等。
加速度计的标定方法
标定定义
通过一系列已知的标准输 入，测量加速度计的输出 值，以建立输入与输出之 间的数学模型。
标定步骤
对加速度计进行一系列标 准输入，记录其输出值， 并利用数学模型进行拟合 和调整。
标定设备
需要已知的标准输入设备、 数据采集与分析系统等。
量程
指加速度计能够测量的最大加速 度值。量程的选择取决于应用需 求，如振动监测、冲击测量等。
总结词
量程是加速度计的重要参数，决 定了其能够测量的动态范围。
详细描述
在选择加速度计时，需要根据实 际应用需求考虑所需的量程大小。 过大的量程可能导致测量不准确，
过小则可能无法覆盖实际加速度 变化范围。
MEMS加速度计分析
MEMS加速度计分析
MEMS加速度计（Microelectromechanical Systems，简称MEMS）是一种以微米级尺度，由微电子工艺制造而成的机械元件，拥有传感、控制和存储功能。
MEMS加速度计（MEMS Accelerometer）是MEMS技术的一种应用，它是一种可以精确测量环境中物体的加速度和振动的传感器系统。
一般来说，悬臂梁式是由纳米级悬臂梁组成的MEMS加速度计，它是由以下三个部分组成：悬臂梁、磁性芯片、悬臂梁支撑柱。
这种MEMS加速度计的结构简单，损耗低，加速度测量精度高，但可靠性要低于悬置片式。
另一种是悬置片式，它是通过利用悬置片及其上支撑的微电机，在测量加速度时，悬置片与悬臂梁的受外力作用而被拉伸或压缩，从而结合微电机的信号输出和放大器的处理可测得物体加速度。
悬置片式MEMS加速度计的可靠性更好，但损耗相应也更大，测量范围较小。
电容式微加速度计
电容式微加速度计电容式微加速度计的三种常见结构：1、扭摆式微加速度计（跷跷板式）2、梳齿式微加速度计（叉指式）3、悬臂梁式加速度计（三明治式）1、扭摆式微加速度计（跷跷板式）结构：,扭摆式微硅型加速度计由一对挠性轴; 一个板块; 一个质量块和四个电极(二个敏感电极,二个激励电极)组成。
加速度计的挠性抽在扭转方向上是很软的,而在其它方向上很硬。
工作原理：质量块在加速度作用下,产生扭矩使加速度计的挠性轴扭转,引起输出敏感电容的变化。
（工作简图、计算公式）公式中的参数：A 为敏感电极宽度; L 为加速度计板块长度; L - x 0 为敏感电极的长度。
X为介电常数。
如图2 所示, 当无加速度输人时, 摆元件处于平衡位置, 每个传感器电极的极板之间间隙相等, 电容量也相等, 无电压输出。
当有加速度a 输人时, 检测质量的’惯性力将对挠性轴产生惯性力矩( 即图2 中的Ma),使摆元件绕挠性轴偏转O, 导致敏感电容器的一个极板的间隙增大, 电容减小。
另一个极板的间隙减小, 电容增大。
将其电容值△ C 作为一个控制信号, 经后续电子线路形成加在力矩器电极( 即施力电极)上的控制电压△U。
同时在力矩器的控制极板上施加偏置电压Uo。
在控制电压作用下, 间隙大的电极上的电压增大而使静电吸力增大; 间隙小的电极上的电压减小而使静电吸力减小。
其吸力差对挠性轴产生的静电力矩( 即图2 中的Me)作用, 以平衡由加速度产生的惯性力矩Ma。
同样控制电压△u 正比于输人加速度。
, 根据控制电压的大小即可测得加速度值。
式中: k。
为比例系数( 由极板的结构尺寸所决定) ; kd为检测控制电路的增益( 完全由后续电路所决定) ;ku为加速度计的标度因数。
制作工艺：步骤：图6(a )在N 型< 100> 硅片上进行氧化和挠性轴支承扩散,要求硼扩散浓度大于1×1020图6( b )进行第一次EPW腐蚀(各向异性腐蚀)形成加速度计板块与玻璃之间的间隙D图6( c)进行第二次浓硼扩散,为制作加速度计的质量块。
MEMS课件加速度计
材料选择
• 主要基底材料 有两类基底材料：
（1）仅用于支撑的钝性基底材料。这包括聚 合物、塑料、陶瓷等；
（2）活性基底材料，如硅、砷化镓、石英等， 在微系统中用于传感或致动部件中。
斯坦福大学制作的隧道效应加速度计 5～1.5KHz, 20ng/sqrt(Hz)
隧道效应微型加速度计例（2）
斯坦福大学制作的隧道效应加速度计
隧道效应微型加速度计的特点
• 优点：灵敏度高、带宽宽； • 缺点：对电路要求较高，需反馈控制。
什么是加速度计 加速度计的分类 加速度计的设计步骤 加速度计的具体设计方案
• 硅：
机械性能稳定，成本不高，加工性好； 是微传感器和加速度计的极好的备选材料。
• 砷化镓：
对外部影响（例如光线中的光子），即使在高温情况下， 响应快； 可用于热绝缘； 它的高压电性使得这种材料适合精密致动； 适合表面微加工； 是光学快门、斩波器和致动器的优良备选材料； 是微器件和微电路所需要的材料； 缺点是价格比硅等其它基底材料高的多。
信号转换选择
对微传感器和 致动器，信号 转换都是必不 可少的，都需 要将化学、光、 热或机械能 （例如运动） 以及MEMS部件 的其它物理行 为转换成电信 号，或反过来 转换。
材料和信号转换技术的概要
• 压敏电阻
在微传感器中硅压敏电阻是最常用到的，因为尺 寸小，信号传输灵敏度高。压敏电阻可以在除 了硅以外的其它基底上制造，例如砷化镓和聚 合物等材料。使用压敏电阻的最大缺点是掺杂 工艺需要严格控制以获得好的质量，另一个更 严重的缺点是电阻率的温度依赖性，压敏电阻 的灵敏度随着温度升高急剧变坏。在高温中使 用时，信号处理中需要适当的温度补偿。
《微加速度传感器》课件
能化水平。
02
微加速度传感器的类型与结构
压阻式微加速度传感器
总结词
利用压阻效应测量加速度
详细描述
压阻式微加速度传感器利用应变片或压阻材料的压阻效应来测量加速度。当加速 度作用于传感器时，质量块会受到惯性力作用，使支撑梁产生应变，从而改变压 阻材料的电阻值。通过测量电阻值的变化，可以推算出加速度的大小。
总结词
精确控制，提升驾驶体验
详细描述
通过微加速度传感器，可以精确控制汽车的悬挂系统和 转向系统，提高驾驶的稳定性和舒适性，提升驾驶体验 。
智能手机与可穿戴设备中的应用
总结词
小型化、集成化、智能化
详细描述
微加速度传感器可以用于实现个性化设置，如自动调整屏 幕亮度、音量等，满足用户的个性化需求。
详细描述
要点二
详细描述
频率响应是衡量微加速度传感器动态性能的重要指标，它 决定了传感器对不同频率的加速度信号的响应能力。理想 的频率响应意味着传感器能够准确地检测到不同频率的加 速度变化，从而在实际应用中获得更全面的测量结果。
04
微加速度传感器的设计与制造
材料选择
01
02
03
硅材料
由于其良好的机械性能和 成熟的制造工艺，硅材料 是微加速度传感器的主要 材料。
详细描述
压电式微加速度传感器利用压电材料的压电效应来测量加速度。当传感器受到 加速度作用时，质量块会施加压力于压电材料上，使其产生电荷或电压。通过 测量产生的电荷或电压，可以推算出加速度的大小。
谐振式微加速度传感器
总结词
利用振动系统的共振频率测量加速度
详细描述
谐振式微加速度传感器利用振动系统的共振频率来测量加速度。传感器内部有一个弹性支撑的振动系 统，当受到加速度作用时，振动系统的共振频率会发生变化。通过测量共振频率的变化，可以推算出 加速度的大小。
静电刚度式谐振微加速度计的结构设计和制造_图文(精)
第34卷第8期重庆大学学报Vo l. 34No. 82011年8月Jour nal of Cho ng qing U niv ersity A ug. 2011文章编号:1000-582X(2011 08-036-07静电刚度式谐振微加速度计的结构设计和制造刘恒1, 2, 张凤田2, 何晓平2, 苏伟2, 张富堂1, 2(1. 重庆大学通信工程学院, 重庆400044; 2. 中国工程物理研究院电子工程研究所, 四川绵阳621900摘要:基于静电刚度的谐振式微加速度计能通过加载电压来调节灵敏度, 减少了灵敏度对结构工艺误差的依赖性。
根据单梁谐振加速度计的动力学原理, 确定了输出频率与各活动结构位移的非线性关系。
对于输出频率与加速度的复杂非线性求解问题, 提出在谐振梁刚度远大于折叠梁刚度条件下, 可以有效的得到二者的解析关系式, 为结构设计提供了约束条件。
对于差分结构, 推导了面内低阶模态方程, 提出应减少音叉梁连接端的刚度系数来减少工艺误差造成的模态扰动误差。
采用ICP 干法体硅工艺, 在很少的工艺步骤下能实现高深宽比结构的流片。
实验测试发现结构完整可动, 但存在同频干扰问题, 提出了高频调制开关解调的信号处理办法。
理论分析和实验测试为设计新型谐振式微加速度计提供了依据。
关键词:微加速度计; 静电刚度; 模态分析; 灵敏度中图分类号:T N911. 71文献标志码:AStructure design and fabrication forresonant accelerometer based on electrostatic stiffnessLIU Heng 1, 2, ZHANG Feng-tia n 2, HE Xiao-ping 2, SU Wei 2, ZH ANG Fu -ta ng 1, 2(1. Colleg e of Comm unication Engineering , Chong qing U niv ersity, Chongqing 400044, P. R. China;2. Institute of Electro nic Engineering , China Academy o f Eng ineering Physics,M iany ang 621900, Sichuan, P. R. ChinaAbstract:T he introduced reso nant accelerom eter makes use of the equivalent electrostatic stiffness to sense the acceler ation. T he sensitivity can be adjusted by chang ing the applied sensing vo ltag e and it is r obust for the fabrication error. According to the sensing principle, the dy namic m odel o f the sing le beam accelerom eter is built alo ng w ith the no -linear relationship of the output fr equency and the displacement of all positive components. When the stiffness of the vibrating beam is much big ger than the stiffness of the fo ld beam, the sensitivity can effective achieve. It is the restr ictio n for the str ucture design. For the differential str ucture, mode analysis show s it is a low er mode in plane fo r the wo rk m ode. Decreasing the stiffness o f connected end fo r the double v ibrating beam can reduce the distur bance erro r. The bulk micro machining for the resonant accelerometer can achieve high depth w idth ration etching. The ex periment find the structure is not bro ken and there is the same frequency distur bance pro blem. FM is suggested to deal w ith the disturbance. T heo ry analysis and test pro vides so me important conclusions fo r the design of the novel ty pe resonant acceler ometer.目前研究较多的谐振梁加速度计就是利用加速度形成的惯性力转化成振梁的轴向应力, 从而改变其谐振频率的方法来检测加速度值的[1-3]。