MEMS加速度计

电容式加速度计（一）
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电容式加速度计（二）
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重庆大学 微系统研究中心
电容式加速度计（二）
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重庆大学 微系统研究中心
电容式加速度计（二）
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重庆大学 微系统研究中心
电容式加速度计（三）
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重庆大学 微系统研究中心
电容式加速度计（三）
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– 结构简单 – 无法测直流（常加速 度） – 温度系数较大
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压电式加速度计（一）
• ZnO压电层
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压电式加速度计（一）
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压电式加速度计（一）
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压电式加速度计（二）
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半导体的压阻效应（piezoresistivity）
• 电阻 为电阻率
取
，得
10Leabharlann Baidu
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半导体的压阻效应(piezoresistivity)
• 金属应变片(电阻率不随应变而变化)
应变灵敏度系数1～2（即 ） • 对晶体材料，电阻率与应变有关，定义压阻系数：
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半导体的压电效应
施加力F3时，产生电荷 电压为 更完整的表达式
其中
分别为
应力、应变、场强和电
位移； 分别
为刚度矩阵、介电常数 矩阵和压电常数矩阵
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半导体的压电效应
• 常用压电材料 石英晶体 PZT ZnO ……
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压电式加速度计
加热电阻 a
＋V
Vo
－V
热敏电阻
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气腔
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热对流式加速度计
• MEMSIC • 应用于较低频率
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总结
• 介绍了压阻、压电、静电、谐振、隧道等多种感知原 理 • 以及基于多种感知原理的加速度传感器 • 特点、工艺、设计优化
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隧道加速度计
– 极高的灵敏度 – 低频噪音大（1/f噪声） – 必须闭环工作（工艺 难度、线性度、量程） – 重复性、一致性差
a
m
硅尖
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隧道加速度（一)
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隧道加速度（一)
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隧道加速度（一)
2 mk
1 2
读出传感器 壳体
弹簧
加速度测量方向
品质因子
Q
m
检测质量
拉氏变换得传递函数的幅值和 相位分别为
H ( ) X ( ) 1 A( ) ( ) ( / Q)
r 2 2 2 0 0 2
阻尼器
tan
5
1 2 0
0
Q

2
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电容式加速度计（三）
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电容式加速度计（四）
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电容式加速度计（四）
• 边缘场影响
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电容式加速度计（四）
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电容式加速度计（四）
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谐振式（Resonator）
• 运动方程 mx cx kx F 1 k • 无阻尼频率 f 2 m • 有阻尼频率 fD f 1 2 其中 c
Ν l ω (Ν ) ω ( 0 ) 1 γ ( 1 ν )( ) Εwh h • 其中w、h和l分别为梁的宽度、厚度和长度，E和 分别 ω 为材料的弹性模量和泊松比，n表示频率的阶数，n( 0 ) 表 示第n阶无轴力频率，其值为
2 n n n
ν
• 系数 n
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h ω(0) 12 l 和 γn 见下表
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隧道加速度（二)
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重庆大学 微系统研究中心
隧道加速度（三)
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隧道加速度（三)
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隧道加速度（三)
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重庆大学 微系统研究中心
隧道加速度（四)
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隧道加速度（四)
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基本原理
• 传递函数幅值
由图可见，为提高灵敏度， 需要降低固有频率。 降低固有频率有两个方案： 降低刚度或增大质量。
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基本原理
• 在单位阶跃加速度 作用下的响应为 其中 由图可见，对于开环 加速度传感器，为提 高响应速度，传感器 应该具有较大的阻尼 比（即小品质因子）。 若采用力反馈控制， 由于相对位移基本被 控制在零位，可以采 7 用小阻尼或大品质因 子。
隧道加速度（四)
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隧道加速度（四)
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隧道加速度（五)
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隧道加速度（六)
• Peking University • 800mV/g
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热对流式加速度计
– – – – 结构和读出电路简单 响应较慢 线性工作范围小 受温度影响大
MEMS加速度计
2013年7月28日
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应用领域
• • • • • • • • • • • • 机械特性检测 土木结构状态监测 汽车 机器人 自动化 地震记录 汽车 结构主动控制 卫星导航 武器制导 玩具 ……
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加速度计的精度与价格
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谐振式加速度计（二）
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谐振式加速度计（三）
• 基于热激励和压阻感知 • 工作原理
激振与检测部分 传感器照片
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谐振式加速度计（三）
• 质量块400um×400um，弹性支承梁30um×130um， 铰4um×8um，感知与激励梁200um×3um。 • 结构一阶频率约17kHz。 • 空气中的品质因子约100，在 0.01mbar下的品质因子约为 60000。
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压阻式加速度计（三）
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压阻式加速度计（三）
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压阻式加速度计（三）
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半导体的压电效应(piezoelectricity)
• 压电效应是居里夫妇于1880年发现的 • 压电效应：某些材料在机械力作用下产生变形,会引起表 面带电的现象,而且其表面电荷密度与应力成正比
表示单位应力电阻率的相对变化，则应变灵敏度系数为
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半导体的压阻效应
常用压阻材料： p+或n+多晶硅 金属
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压阻式加速度计
– – – – 读出电路非常简单 压敏电阻制作难度大 温度系数大 灵敏度不高
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压阻式加速度计（一）
a
m
振梁
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谐振式加速度计(一)
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谐振式加速度计(一)
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谐振式加速度计（二）
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谐振式加速度计（二）
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谐振式加速度计（二）
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谐振式加速度计（二）
MEMS加速度计的特点
• • • • • • 尺寸小 重量轻 成本低 易集成 功耗小 …… 据专家预测，MEMS加速度计在不久的将来有可能独 占中低精度的加速度计市场的潜力。
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基本原理
质量块运动方程
0
m cx kx ma x
r r r
k 无阻尼固有频率 m c 阻尼比
4 mf
• 当质量、刚度、阻尼改变时，系统的频率随之变化，反之， 可由频率的变化反推这些物理量的变化 • 刚度改变可由附加物质、边界条件和内应力引起 • 质量和阻尼的变化可由附加物质、外部环境引起
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弯曲频率随轴力的变化
• 轴力导致梁或膜弯曲刚度的变化，进而引起弯曲频率的 变化 • 矩形截面的两端固支梁在轴力N左右下的弯曲频率为
n n 2

2
E (1 )
2
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两端固支梁频率计算系数
模态 1 2 3 4 5 4.730 7.854 11.00 14.14 17.28
nn 0.2949
0.1453 0.08119 0.05155 0.03553
γ
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谐振式加速度计
• （可用电阻热激振和压阻感知） – 直接数字输出 – 潜在的高精度：电漂移和热噪声影响小
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谐振式加速度计（三）
• 第一个样品灵敏度约70Hz/g， 带宽10kHz，分辨率0.1g； • 第二个样品灵敏度约45Hz/g。
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隧穿式（Tunneling）
• 在一定的电压作用下，隧穿电流为
其中 I 0 为归一化电流， 为隧道势垒 高度， 为隧尖到电极之间的距离， 为转换系数。 z • 可根据隧穿电流检测隧尖与电极之间的距离。 • 典型初始间距约1nm，间距变化0.01nm时，隧道电流 的相对变化量达4.5%。
0 t 0 a (t ) 1 t 0
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加速度计的性能指标
• 量程 • 灵敏度： 降低刚度 增加质量 • 动态范围 提高加速度计的固有频率，但这与提高灵敏度有矛盾。 • 反应时间 提高固有频率
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工作原理
• • • • • • • 压阻式 压电式 电容式 谐振式 隧穿式 热对流式 ……
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d
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电容式加速度计
– – – – – 敏感器件制作简单 不受温度影响 读出电路复杂 易受寄生参数影响 非线性
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电容式加速度计（一）
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电容式加速度计（一）
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电容式加速度计（一）
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压阻式加速度计（一）
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压阻式加速度计（一）
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压阻式加速度计（一）
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压阻式加速度计（二）
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压阻式加速度计（二）
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压阻式加速度计（三）
压电式加速度计（三）
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压电式加速度计（三）
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压电式加速度计（三）
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电容式(Capacitor)
• 运动导致电容的变化
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电容
电容为 其中 分别为空气的介电常数和 两电极的正对面积。电容的变化与 位移不成正比，非线性较强。 0bL 令 C0 若初始偏移为x0 ,则当 0 x L 时, 电容的相对变化为 C x x0 C0 L 线性度比较好。 梳齿电容器的电容与位移的线性度很好，得到广泛的应 用。