MEMS加速度计的原理及运用

MEMS加速度计的原理及运用

高鹏黄国胜

2006．12.19

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。压电式微加速度计是最早出现的微加速度计，其优点是：结构简单，芯片的制作相对容易，并且接口电路易于实现。其缺点是：温度系数比较大，对温度比较敏感；和其他原理微加速度计相比，其灵敏度比较低，蠕变和迟滞效应比较明显。

图1：压阻式微加速度计原理图

1.2.2 电容式微加速度计

电容式微加速度计是最常见的，也有成熟推广的产品。其基本原理就是将电容作为检测接口，来检测由于惯性力作用导致惯性质量块发生的微位移。质量块由弹性微梁支撑连接在基体上，检测电容的一个极板一般配置在运动的质量块上，一个极板配置在固定的基体上。图2所示为典型的三明治结构的平板电容式微加速度计。还有AD 公司开发的电容式微加速度计采用梳齿阵列电容作为检测接口。电容式微加速度计的灵敏度和测量精度高、稳定性好、温度漂移小、功耗极低，而且过载保护能力较强；能够利用静电力实现反馈闭环控制，显著提高传感器的性能。

图2：电容式微加速度计示意图

1.2.3 扭摆式微加速度计

扭摆式微加速度计的敏感单元是不对称质量平板，通过扭转轴与基座相连，基座上表面布置有固定电极，敏感平板下表面有相应的运动电极，形成检测电容(如图3) 。当有加速度作用时，不对称平板在惯性力作用下，将发生绕扭转轴的转动。转动角与加速度成比例关系，可用下式表示：

maL = Kθ（3）

式中， a 为输入加速度；L 为质量平板质心到支撑轴转动中心的距离；K 为支撑轴的扭转刚度系数；θ为平板的扭转角。

图3：扭摆式微加速度计的结构

当质量平板发生偏移时，可以利用电容的静电力来调节平板的偏转角度，提高系统的测量范围，改善系统的动态特性。其基本特点与电容式类似。

1.2.4 隧道式微加速度计

隧道效应就是平板电极和隧道针尖电极距离达到一定的条件，可以产生隧道电流。由J.G.Simmons 推导的隧道电流和针尖与下电极之间的距离关系可以描述为：

I∝ V×exp ( -αkx) （4）式中，V 为施加在电极两端的电压；α为有效势垒高度；x 为电极间隙；k 为常数。

这样可以看出，隧道电流与极板之间的间隙 x 呈负指数关系。隧道式微加速度计常用悬臂梁或者双端固支梁支撑惯性质量块，质量块在惯性力的作用下，位置将发生偏移，这个偏移量直接影响到隧道电流的变化，通过检测隧道电流变化量来间接检测加速度值。系统的典型结构示意图如图4 所示。

图4：隧道式微加速度计原理示意图

隧道式微加速度计具有极高的灵敏度，易检测，线性度好，温漂小，抗干扰能力强，可靠性高。但是由于隧道针尖制作比较复杂，所以其工艺比较困难。还有其他一些新型加速度计，譬如基于热阻抗原理的热加速度计，也具有很好的实

验结果。

1.3 差分电容式加速度计的结构模型及其工作原理

电容式MEMS加速度计是加速度计中的工作灵敏度较高的一种，也是使用最为广泛的一种结构。因此这里分析MEMS加速度计的时以电容式加速度计为例。

1.3.1 MEMS微加速度计的结构模型

采用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应加速度，其结构如图5所示。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5只给出其剖面示意图）。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。

图5：微加速度计的结构示意图。

1.3.2 MEMS微加速度计的工作原理

加速度计的工作原理可概述如下：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。显然该位移与外界加速度具有一一对应的关系：外界加速度固定时，质量块具有确定的位移；外界加速度变化时（只要变化不是很快），质量块的位移也发生相应的变化。另一方面，当