硅微电容式加速度传感器结构设计
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。
“三明治”MEMS加速度计的设计与分析
的谐振频率 、 抗冲击性、 线性度等因素人手进行仿 真分析与理论计算 ， 确定 了加速度计的结构参数
以及 体硅 工艺 流程 。
传感器 的特别突出的优点在于 ， 灵敏度及分辨率 可以做到很高 ， 可以测量极小 的加速度 和位移 Ｊ
电容式加速度传感器种类繁 多 ， 但原理基 本 相 同， 都是通过测量 电容 的变化来检测加速度信
号。电容式加速传感器有诸 多优点 ： 压阻式或 热
对流 式 容 易 因 外 界 温 度 变 化 而 产 生 零 位 漂 移 儿 引， 而电容式的电容值一般与电极材料无关 ， 因此可选择温度系数低 的材料 ； 加上本身发热极
景 。
极板 间距 与极 板 间的重 叠 面积来决定 。为 了减小
寄生 电容 的干扰 ， 并提高传感器 的灵敏度 ， 电容式 加速度传感器通常采用差分 电容结构 ， 即质量块 部分作为公共极板 ， 两个电容串联相接。 对于差分电容式加速度计 ， 较为成熟的结构
有“ 梳齿” 结构 的 电容 式 加速 度 计 【 和 “ Ｊ 三 明治 ” 结 构 的 电容 式加 速度 计 ， “ 梳齿” 型 结构 的 电容式 加 速度 计 ， 由 于难 以实 现较 大 的敏感质 量块 ， 且敏
２ ３ ３ ０ ４ ２ ）
（ 北方 通用 电子集 团有 限公 司微 电子 部 蚌 埠 摘 要
基 于体 硅微 机械 加 工技 术 ， 设计 分析 了一 种抗 冲 击“ 三 明治 ” 电容式 ＭＥ Ｍ Ｓ加 速 度计 。利
用敏 感质 量块 与 固定 电极构 成 电容 差分 结构 ， 在 有效提 高加 速度 计灵敏 度 的 同时 ， 减 小 了寄生 电容 的干 扰， 提 高 了加速 度计 的 测量精 度 ， 并 对 悬臂 梁的抗 冲 击性 能做 了仿 真分 析 ， 保证 了加 速度 计 工作 的可 靠 性 。经仿 真与理 论计 算 分析表 明 ， 该加 速 度计 在 Ｚ轴 向 的灵敏 度 为 ０ ． １ ２ ５ ｐ Ｆ ／ ｇ ， 谐振频率为 ４ ． ９ ｋ Ｈｚ ， 量
硅电容式微传感器课件
04
硅电容式微传感器的应用实 例
气体传感器
总结词
硅电容式微传感器在气体检测领域具有高灵 敏度、低成本和易于集成的优点，广泛应用 于环境监测、工业控制和安全防护等领域。
详细描述
硅电容式微传感器利用其高灵敏度和选择性 ，能够检测多种气体，如氧气、二氧化碳、 甲烷等。这些传感器通过测量气体在敏感材 料上引起的电容变化来检测气体浓度，具有
详细描述
分辨率是衡量硅电容式微传感器测量精度的重要参数。它决定了传感器能够检测到的最小物理量变化 。高分辨率的传感器能够更准确地测量微小变化，适用于需要高精度测量的应用场景。
线性度
总结词
线性度是指硅电容式微传感器的实际输出曲线与理想直线之间的偏差程度，反映了传感器输出与输入之间的关系 。
详细描述
线性度是评估硅电容式微传感器性能的重要指标之一。理想的传感器输出与输入之间应呈线性关系，但实际应用 中由于各种因素的影响，输出曲线往往存在偏差。线性度越高，偏差越小，传感器的测量准确性越高。
硅电容式微传感器课件
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目录
• 硅电容式微传感器概述 • 硅电容式微传感器的设计与制造 • 硅电容式微传感器的性能参数 • 硅电容式微传感器的应用实例 • 硅电容式微传感器的挑战与未来
发展
01
硅电容式微传感器概述
定义与特点
定义
硅电容式微传感器是一种利用硅材料 的物理特性，将物理量（如压力、位 移、速度等）转换为电信号的微型传 感器。
05
硅电容式微传感器的挑战与 未来发展
提高灵敏度与分辨率
总结词
硅电容式微传感器的灵敏度和分辨率是衡量其性能的 重要指标，提高这两项指标有助于更好地检测微小变 化。
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
吩 孚［ 一 ］ ＝
（ ２ １）
电刚 度 （ 静 电力 引 起 的 劲 度 系 数 ） 即 为
４ ％＿ ％ ｔ
‘ （３ １）
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
Ｆ 静 电 力 的影 响 ．
（） ４
△
贝 △ｃ＝ｃ —Ｃ ９ Ｉ ｏ＝
：
等 Ａｃ （ ］ ｄ ＋ ＋
（ ５）
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
容 Ｃ为
：
支承 关 系， 因此 系统 的等效 弹性 刚度系 数为
＝
４ ， 即 ｇｇ ３ Ｋｏ ， － ｈ
．
Ｅ ｔｈ Ｃ ３
“ 丁
ｄ０ （ ３）
的影响不可忽略。
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
电容式加速度传感器课件
要点二
详细描述
为了满足现代工业、航空航天、医疗等领域对传感器性能 的严苛要求，电容式加速度传感器在设计和制造过程中不 断追求更高的灵敏度和分辨率。同时，通过改进传感器内 部结构、优化材料选择和工艺制程，降低其噪声水平，提 高测量精度。此外，拓宽测量范围也是高性能化发展的重 要方向之一，以满足各种复杂环境下对加速度测量的需求 。
详细描述
温度变化可能导致传感器内部结构膨胀或收缩，改变传感器的电气 参数，从而影响其输出值。
解决方案
采用温度补偿技术、选择具有良好热稳定性的材料、加强散热设计 等措施，以减小温度对传感器性能的影响。
噪声与干扰
总结词
噪声与干扰是指传感器在受到非目标信号干扰时，输出的 异常值。
详细描述
噪声与干扰可能来源于电源波动、电磁场、机械振动等因 素。
详细描述
长期稳定性对于需要长期监测的应用至关重要。良好的长期稳定性意味着传感器在长时间使用后，其性能参数的 变化较小，能够提供可靠的测量结果。
04
电容式加速度传感器的校准与标定
校准方法
01
02
03
绝对校准
通过与已知准确度的标准 传感器进行比较，确定电 容式加速度传感器的准确 度等级。
相对校准
通过比较同一批次电容式 加速度传感器的输出，确 定各传感器间的相对准确 度。
灵敏度下降
总结词
灵敏度下降是指传感器在受到相同加速度作用时 ，输出值减小。
详细描述
灵敏度下降可能是由于传感器内部结构磨损、电 路老化、外部环境中的污染物等因素引起的。
解决方案
定期检查和清洁传感器、更换磨损部件、加强密 封性等措施，以保持传感器的灵敏度。
温度影响
总结词
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 ］
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第ｌ 卷 ９
第５ 期
mems加速度计z轴结构及工作原理
mems加速度计z轴结构及工作原理mems加速度计是一种基于微机电系统（MEMS）技术的传感器，用于测量物体在三维空间中的加速度，其中z轴加速度是指物体在垂直于地面的方向上的加速度。
mems加速度计的结构可分为三个主要部分：质量块、支撑结构和感应电极。
质量块是mems加速度计的核心部件，通常采用微米级别的硅质材料制成。
支撑结构用于支撑质量块，以保持其相对静止位置，一般由弹性材料制成。
感应电极则用于测量质量块的位移，从而间接测量物体在z轴方向上的加速度。
mems加速度计的工作原理基于质量块的惯性。
当物体受到外力作用时，质量块会发生位移，而这种位移会导致感应电极间的电容发生变化。
通过测量电容的变化，可以推断出质量块的位移大小，从而得到物体在z轴方向上的加速度。
具体而言，mems加速度计利用电容变化来测量质量块的位移。
当物体受到加速度时，质量块会发生相应的位移，导致感应电极之间的电容发生变化。
通过测量电容的变化，可以确定质量块的位移量，从而得到物体在z轴方向上的加速度。
为了实现这一测量过程，mems加速度计通常采用差动电容结构。
差动电容结构由两对相等的感应电极组成，分别位于质量块的两侧。
当质量块发生位移时，感应电极之间的电容会发生变化。
通过测量两对感应电极之间的电容差值，可以确定质量块的位移量，进而计算出物体在z轴方向上的加速度。
为了提高mems加速度计的灵敏度和精度，还可以采用一些增强措施。
例如，可以在质量块和支撑结构之间设置减震垫，以减小外界干扰对加速度测量的影响。
同时，还可以采用温度补偿技术，通过测量环境温度的变化来修正mems加速度计的输出，以提高其稳定性和准确性。
mems加速度计是一种基于微机电系统技术的传感器，用于测量物体在三维空间中的加速度。
通过测量质量块的位移，可以间接得到物体在z轴方向上的加速度。
其结构简单、工作原理清晰，可以应用于许多领域，如运动追踪、姿态控制、智能手机等。
随着MEMS技术的不断发展，mems加速度计将会在更多领域发挥重要作用。
一种电容式微加速度计的结构设计和工艺仿真
传 感 技 术 学 报
Ｃ ＮＥ Ｅ Ｊ ＲＮＡ Ｆ Ｅ Ｏ Ｓ Ａ ＨＩ Ｓ ＯＵ Ｌ Ｏ Ｓ ＮＳ Ｒ ＮＤ Ｃ Ａ ＴＵＡ Ｒ ＴＯ Ｓ
Ｖｏ ． ９ Ｎｏ ５ １１ ．
２０ ０ ６年 １ ０月
０ｃ ． ０ ６ ｔ２ ０
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｄ Ｖｉｔ ａ ｂ ｉａ ｉ ｎ Ｐｒ ｃ ｓ ｆａ Ｎｅ Ｋｉ ｆＣａ ｃ ｔｖ ｃ ｅｅ ｏ ｅ ｅ ｓｇ ｎ ｒｕ ｌＦａ ｒｃ ｔｏ ｏ ｅ ｓｏ ｗ ｎｄ ｏ ｐａ ｉｉ ｅＡ ｃ ｌｒ ｍ ｔ ｒ
ｃｏａｃ ｌ ｏ ｔｒｃ ｒｅ ｔ ． Ｂ ｓｄ ｏ ｉｃ ｎ ｇａ ｓａ ｏ ｉ ｂ ｎ ｉｇ ｔｃ ｎ ｌｇ ｎ ｎ ｕ ｔ ｅｙ ｃ ｕ ｌｄ ｒ－ｃｅｅ ｍｅｅ ｕｒｎ ｌ ｒ ｙ ａｅ ｎ ｓ ｉ ／ ｌｓ ｎ ｄｃ ｏ ｄｎ ｅｈ ｏｏ ｙ ａ ｄ ｉｄ ｃｉ ｌ ｏ ｐｅ ｌｏ ｖ
加工技术基础之上设计 了一种 电容式微加 速度计 ， 构将 两种改变平行板 电容量 的方 式有效 的结合 在一 起 ， 高 了结构 的 该结 提
灵敏度 并具有较好的线性度． 后 ， 最 对所设计 的结构 进行 了工艺仿真 ， 通过虚拟 工艺仿 真结果 与设计进 行 比较 ， 证 了结 构 的 论
由于微机械尺寸很小所以形成的电容量是非常微弱的在使用中经常被干扰噪声淹没作为测量仪表提高精度很重要的一项措施就是采用差动测量方式差动测量的两部分由于在相同环境条件下受到的干扰噪声基本一样所以可以通过相减排除其绝大部分极大地提高了信噪比
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第１ ９卷
第 ５期
ＭＥ ＭＳ器 件． 于 ＭＥ 由 ＭＳ器 件 是 针 对 各 种 不 同 的
虑． 在设计 中， 机电结构设计 和工艺流程设计是相互 交联的． 电容式微加速度计是 利用质量块 把加速度 的变化转换成电容 电极 间极距 的变化 ， 一般 采用差 分结构． 从制作工艺上 ， 电容式微型加速度计可分为 两类 ： 表面工艺微型加速度计 和体硅工艺微型加速 度 计 ． 面微 机械 加 工 工 艺 通 过 对 硅 表 面层 的 加 工 表 及牺牲层的腐蚀来 获得微机 械部件 ， 因此当被用于 制作惯性传感器时， 所制得 的器件 的惯性质量和检 测电容都很小． 而体硅微机械加工工艺 ， 以制得具 可 有较大惯性质量器 件． 在传统 的体硅微 机械 中， 玻 璃一 玻璃 的三明治结 构通常被用来构成适合 于检 硅一 测电容变化 的差分 电容式 结构． 但是． 玻璃 难 以加
中文翻译-电容式硅微机械加速度计系统的特性研究
电容式硅微机械加速度计系统的特性研究摘要: 微硅电容式加速度计是目前微硅加速度传感器发展的主流,影响其性能有多方面的因素。
现详细分析了电容式微加速度计敏感模态的工作原理,阐述了不同情况下提高加速度计静态灵敏度所应采取的措施,给出了加速度计三种振动模态的谐振频率与结构参数之间的关系,通过对加速度计集总模型分析,得到了反映和影响加速度计性能的阻尼、灵敏度、分辨率和吸附电压等关键物理量的具体表达形式。
从而可知,加速度计的性能和梁的尺寸,检测质量块质量、极板面积、开孔数目等因素有关。
关键词: 微加速度计，模态，灵敏度0 引言微机电系统(Micro Electron Mechanical Systems ,MEMS) 技术是近20 年来发展起来的一个新兴技术领域,是人们用以在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。
微加速度计是MEMS 的重要内容。
硅微加速度计以其优良的机械和电气性能越来越受到人们的重视。
全硅加速度计已成为加速度传感器技术的重要研究方向。
微硅加速度计,按检测原理可分为压阻式、谐振式、电容式等形式。
其中,电容式加速度计具有精度高、噪声特性好、漂移低、温度敏感性小、功耗低、结构简单等优点。
逐渐成为微硅加速度传感器的发展主流。
本文在分析电容式加速度计敏感模态工作原理的基础上,较全面地分析了影响电容式加速度计性能的各种因素,为研制高量程、高精度、高灵敏度的电容式加速度计提供了理论依据。
1 工作原理和模态分析1. 1 工作原理图1 是一种微硅电容式加速度计的结构简图。
加速度计的敏感部分由一个检测质量块和挠性梁组成。
检测质量块通过挠性梁与单晶硅基底(固定端)相连,并被支悬在基底上方。
充当检测电极用的多晶硅平板通过加固肋与基底相连,并被等间距的固定在检测质量块的上下两面,与检测质量块形成差动电容。
当在z 方向有加速度加入时,检测质量块在惯性力作用下,沿z 方向产生一个微小偏置Δd ,导致质量块与上下两极板之间电容发生变化,通过检测电路测出电容差值,就可换算出加速度值[1 ] 。
硅微电容式加速度传感器
TJ-3通信接口性能特点
符合HART物理层FSK协议要求。 Bell 202 1200Hz（逻辑1）和2200Hz（逻辑0）频移键
控信号。 安装简单（附驱动程序）。 符合USB1.1和USB2.0标准。 直接USB接口供电，无须外界电源供给。 ABS超小外壳。 对HART环路很低的电流损耗（最大5μA @ 24Vdc）。 与现场仪表1500Vdc隔离。 0℃到70℃宽工作温度范围。
10
本安防爆型液晶显示表头
XMZ系列液晶数字显示表头New
11
线路连接
XMZ系列液晶数字显示表头表头用于 4~20mA回路电流的测量和显示，使用时 串联至回路中，即可工作。线路连接如
图1所示。
24V电源
XMZ 数显表头
现场设备
负载电阻
操作器
12
功能描述
输入信号 4～20mA DC 显示
5
HHT-2智能手持操作器
HART组态软件 HDC613New
掌上电脑型 智能手机型
6
HDC613的特点
自主开发HART组态软件HDC613（HART Device Configurator），配套TJ系列通信接口，符合HART协 议规范；
支持十余种主流HART协议现场智能仪表的调校、信息 设置、远程监控等操作，并将不断支持更多设备；
最大量程限值，每变化10℃。 启动时间：<2s。
4
第二代智能电子部件性能指标
最大可调量程代码：100:1 精确度：对DP、GP 变送器，量程代号4~8，量程比10:1 以内时，为
±0.1%量程；量程比大于10:1 时，为量程的±0.05*(1+0.1*量程比)%。 其它变送器和其它量程，以上误差值将增加一倍。 温度影响：（对于DP、GP 类变送器，量程代号4~8，量程比5:1以内） 零点误差=±0.25%最大量程限值，每变化28℃ 总误差=±0.5%最大量程限值，每变化28℃ 其它变送器和其它量程，以上误差值将增加一倍。 EMC 抗扰度水平：按照GB/T18268-2000 标准附录A 规定的试验要求， 各项测试达到“连续非监控运行”所要求的判据。 液晶模块：可显示数值范围-19999~19999；可显示单位有%、mA、kPa、 Pa、MPa、mmH2O；进度条显示压力百分量程；状态信息显示。 新增智能功能：变量液晶显示，显示内容可通过HART 设定；传感器、 连接线故障诊断及自恢复；传感器组态参数独立存放；组态参数备份与 恢复；特殊命令实现新增特殊功能操作。
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。
第5章-硅电容式微传感器PPT课件
图5-16 CAV424电路结构和应用电路图
.
31
5.3.2 XE2004接口电路
图5-19 XE2004内部结构框图
.
32
5.3.3 MS3110接口电路
.
33
MS3110采用调制解调的电容检测方法 。MS3110 芯片内部能够产生2路幅值 相同、相位相反的方波信号作为输出 电容的载波信号, 实现对电容变化的 调制, 调制信号通过电荷积器将电容 变化转换为电压变化, 采样保持电路 对调制信号进行解调, 经过低通滤波 、增益放大就得到与电容差成正比的 电压信号。
⑴平铺叉指型
图5-11 平铺叉指结构
.
19
⑵三明治叉指型结构
图5-12 三明治叉指结构
.
20
5.2 设计、建模与仿真
系统设计包括两个方面，即微传感器设 计与系统电子线路设计两大部分。
对于一个机电混合系统来讲，这两部分 的设计是密不可分的，任何孤立的单方 开发都无助于整个系统的最终形成。
.
21
第5章 硅电容式微传感器
硅是一种半导体，在元素周期表中处于 金属和非金属之间。
平板电容器的公式：
.
1
5.1 典型传感器结构及工作原理
目前实际应用的典型硅电容式微传感器 有微型硅加速度计、硅集成压力传感器 和CMOS集成电容湿度传感器。
.
2
5.1.1 微型硅加速度计
微型硅加速度计是一种新颖的加速 度传感器，它采用硅单晶材料，采 用微机械加工工艺实现。
.
14
（a）原理图
（b）结构图
图5-9 CP7电容式压力传感器原理图
.
15
5.1.3 CMOS集成电容湿度传感器
MEMS加速度传感器的原理与构造
M E M S加速度传感器的原理与构造The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020微系统设计与应用加速度传感器的原理与构造班级：2012机自实验班指导教师：xxx小组成员：xxxxx大学机械工程学院二OO五年十一月摘要随着硅微机械加工技术(MEMS)的迅猛发展,各种基于MEMS技术的器件也应运而生,目前已经得到广泛应用的就有压力传感器、加速度传感器、光开关等等,它们有着体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高等特点,而且因为其加工工艺一定程度上与传统的集成电路工艺兼容,易于实现数字化、智能化以及批量生产,因而从问世起就引起了广泛关注,并且在汽车、医药、导航和控制、生化分析、工业检测等方面得到了较为迅速的应用。
其中加速度传感器就是广泛应用的例子之一。
加速度传感器的原理随其应用而不同，有压阻式，电容式，压电式，谐振式等。
本文着手于不同加速度传感器的原理、制作工艺及应用展开，能够使之更加全面了解加速度传感器。
关键词：加速度传感器，压阻式，电容式，原理，构造目录1 压阻式加速度传感器.................................... 错误!未定义书签。
压阻式加速度传感器的组成 ................................. 错误!未定义书签。
压阻式加速度传感器的原理 ................................. 错误!未定义书签。
敏感原理.............................................. 错误!未定义书签。
压阻系数.............................................. 错误!未定义书签。
悬臂梁分析............................................ 错误!未定义书签。
一种MEMS硅微三维加速度计设计
双Ｔ 型检测单元用于检测垂直加速度值 ； 微型柱 体与 四梁检 测
单元用于检测水平 面 内两 个正交 方 向的加速 度值 。微 结构 采
基金项目： 国家 ８ ６ ３ 计 划（ ２ ０ １ １ Ａ Ａ ０ ４ ４０ ０ ４ ）
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２— ０ ４—１ ０ 收 修 改 稿 日期 ： ２ ０ １ ２—１ ２—１ ６
根据刚度系数理论推导依 据¨ ， 给定作 用力 ， 计 算挠度 的 大小 即可获得该位置 的弹性刚度系数 ， 双 Ｔ型悬臂梁末端 的等
效 弹性 刚度系数为 ：
Ｆ
＝
有沿 ｚ方 向的振 动信 号作用 于 形体 时 ， 形体 会产 生应 力 、 应变变化 ， 从而导致其根部的应变压敏电阻 Ｒ 。 、 Ｒ ： 阻值 发生 相
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ ＭＥ ＭＳ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ － － ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ？ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｗ ａ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｌ ｉ ｃ ｏ ｎ ・ － ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｐ ｌ ｅ ｚ ｏ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ｉ ｖ ｅ ｔ ｗ ｏ — － ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ａ ｃ ｅ ｅ ｌ ｅ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ． Ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｓ ｏ ｆ ｆ ｏ ｕ ｒ ｂ ｅ ａ ｍｓ — ｃ ｏ ｌ ｕ ｍｎ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｕ ｎ ｉ ｔ ｓ ａ ｎ ｄ ｄ ｏ ｕ ｂ ｌ ｅ Ｔ— ｓ ｈ ａ ｐ ｅ ｄ ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｕ ｎ ｉ ｔ ． Ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｔ ｗ ｏ ｐ ａ ｒ ｔ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ。 ｔ ｈ ｉ ｓ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ Ｃ ａ ｌ ｌ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｔ ｈ ｅ ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ — ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｔ ｈ ｅ ｃ ｌｉ ａ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ａ ｎ ｄ ｉ ｆ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ａ ｅ ｅ ｅ ｌ ｅ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｗ ａ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ． Ｆ ｉ ｎ ｌｌ ａ ｙ， ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｌ ａ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｅ ｉ ｒ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｒｅ ｆ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｒ ｅ —
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电容加速度计
加速度计的半壁江山 ——电容式加速度计
• 电容式微加速度计因具有高精度、低温度敏感系数、低功耗、 宽动态范围和微机械结构等优点而成为当前国内外的研究热 点。其有很好的直流响应，较好的信噪比，负载阻抗高，受 磁场的干扰小，容易实现自检，高灵敏度，低漂移和低温度 灵敏度等，在低频响应方面可以响应静态的或直流加速度， 因此得到了广泛的应用。在当前的科学研究以及市场份额中 都是以电容式加速度计为主，占据了mems加速度计的半壁江 山。
微加速度计的最新产品
Bosch在2012推出了最新的三轴MEMS加 速度计 BMA280/BMA255 分辨率： 14位， 封装及尺寸： 2*2mm LGA(触点阵列), 制作工艺 ：200mm晶圆， 可检测最小加速度数值：0.25milli-g 集成了FIFO缓冲区和先进的中断机制 噪音仅为：120 micro-g/vHz和150 microg/vHz 以最大速率传输数据时电流只有130mA 省点模式时功耗甚至可低于10mA 接口：SPI(3-or-4wire)和IIC 工作温度：-40~+85度 特点：目前市场上还没其它2*2mm的加速 度计能够保持如此低噪音和高灵敏度
如图3-1，在电容器板间通过厚为d，相对介电常数为
εr介质，电容为
C
0 A
a d d r
,若通过的介质相对介电
常数增加△εr，列如湿度增加，成分变化时，电容增
加为：
a
d
图（3-1）
C
C
a
d
0A [d (r
r
)]
C C
r r
N2
1
1 N 3 ( r
电容式微加速度计的种类
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矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。