MEMS电容加速度计

现阶段微加速度计发展难题
• 1、微结构的振动质量块比较小,产生的输出信号非常微弱,基本上与机 械噪声以及电噪声同数量级,因此弱电量检测以及噪声抑制成为提高加 速度计性能的难题。
• (2) 梳齿式电容加速度计
• 梳齿式硅微机械加速度计(Fingershaped Micromachined Silicon Accelerometer，简写为FMSA)因活动 电极形似梳齿而得名，又称叉指式电 容加速度计，是微加速度计的一种典 型结构。梳齿式微加速度计是梳齿式 微加速度计具有灵敏度高、温度稳定 性好、结构相对简单、功耗比较低、 直流特性好等特点，但是容易受到电 磁干扰。该类型的加速度计可以通过 把若干极板面积较小的电容并连起来 形成相对较大的电容以提高分辨率， 而且可以制作反馈结构实现闭环控制， 利于精度的提高。
灵敏度S是d0的函数，d0 越小，灵敏度越高，但d0减少，非
线性增大。
⑶、非线性误差分析：
在
c
/
c0

d d0
[1

d d0

(
d 源自文库0
)2

(
d d0
)3

...]1

d d0

(
d d0
)2

d d0
中只取2次项
则相对非线性误差为：

(d d0 )2 d
100 0 0

• (3) 三明治摆式电容加速度计
• 三明治摆式电容加速度计又称为悬臂梁 式硅微机械加速度计(CMSA)，是一种夹 层结构的微机械加速度计，因动极板被 夹在固定极板中间形似三明治 （Sandwich）而得名。该结构相对比较 简单，电容可动极板由中间的敏感质量 硅摆片的上下两面用电镀的方法制成， 与相对应的固定极板组成一组差动电容 来敏感输入加速度的大小。当质量块受 到加速度激励上下运动时，电容极板间 距随之变化，差动电容大小发生改变， 理论推导可知差动电容的大小和加速度 在质量块位移较小的情况下成近似线性 比例关系。
中国电子科技集团公司第十三研究所研制的 MSA009系列
量程：±2g~10g量程 分辨率：在500Hz下为0.3mg 噪声：20μg/Hz 带宽（-3db）0-2000可调节 非线性：0.8% 外形尺寸：10.46*7.65*2.54mm 封装：陶瓷封装 工作温度 ：-40~+60℃ 特点： 2011年国内首款MEMS高精度单片式电容 硅加速度计，抗2万g高冲击恶劣环境、 高性价比产品
• （1）同向性原则：当硅微结构受到各方向冲击作用时， 只有某一个或某几个方向最为敏感，其余方向则是迟钝的。 同向性原则可以保证被传感信息的有效性和无干扰性。
• （2）灵敏性设计原则：灵敏性设计是指在硅微结构空间 中，微纳米量级的位移能反映加速度的变化。并能有效地 用相关的电物理量（如电容量）测定出来。即有着较好的 灵敏度。
在汽车安全管理系统中，装有安全气囊加速度计的汽车电子控制系 统的失败率必须低于50ppm（50/1百万），汽车制造商采用可靠、高 性能但相对昂贵的加速度计。例如，电子控制系统中测量横向加速度 的加速度计要5美元以上 。飞思卡尔的用于一个安全气囊就用6个加 速度计传感器。
在高铁、民用航空、航天系统、导弹、卫星导航等高尖端领域，加 速度计更是不可或缺的器件。
• 随着航天技术的飞速发展，小型化、多功能、机动性能强的航天武器 产品令人瞩目，并成为当今航天武器发展的一个主要趋势与此同时， 人们对航天惯性传感器在体积、重量和性能方面也提出了更高的要求， 性能优良的传感器，可以提供准确的数据；为航天武器、微小卫星的 数据提供正确依据，保证航天武器、微小卫星的安全可靠；同时也使 得航天武器，微小卫星的性能不断提高，从而促进航天事业的发展。

(
d d0
)3

...]1

d d0

(
d d0
)2

d d0
似这看就成是线说性，关当系△，d/一d0 般远取小△于d1/时d0，～△0.c0与2-△0.d1近。
15
⑵、电容传感器的灵敏度：
Sn

c d

c0
d d0
d

c0 d0

0s
d02
c
有的定义相对灵敏度：
Sn
c0 1 d d0
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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。
C l

b
d
注意：极板移动时，一定要保持d不变。
见图（ 2-2） 其中a为齿宽，b为y方向的宽度
注意：△x＜a时成立，无限远的运动会形成周期性变化。
y
Cx

nb(a
d
x)

n(C0

b
d
x)
x
a
Cx

Cx

nC0

nbx
d
图2-2
Sn


Cx x

nb
d
变介电常数的电容式MEMS器件原理
为一种传感器:
12
d
a
b
c
a、b为变间距式

d
e
c、d、e为变间距式
1
f
g
f、g为变介质式
变间隙的电容式MEMS器件原理
空气介质的变间隙电容式传感器： d r
⑴、原理：
由公式知：C0

0 r A
d0
图1-1
空气介质常数=1.将一端固定，
另一端可动，这样电容值随被 测物的移动而改变。当d0减少 △d时则电容增加△c。
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
MEMS电容式加速度计的三种常见结构
• (1) 跷跷板摆式电容加速度计
• 跷跷板摆式电容加速度计又称扭摆式硅微 加速度计（Pendulous Micromachined Silicon Accelerometer，PMSA），因敏感质 量绕着弹性梁扭转形似跷跷板而得名。其 典型代表是美国Draper实验室于1990年研 制的微机械加速度计，其敏感质量与下面 的玻璃基片之间形成差动检测电容。由于 质量片分别位于承扭梁两边的质量和惯性 矩不相等，所以当存在垂直于质量片的加 速度输入时，质量片将绕着支撑梁旋转， 从而使相应的一对差动电容一个增大一个 减小，测量差动电容值既可得到沿敏感轴 输入的加速度。
图（3-1）也可用来测量介电材料厚度的变化，这时εr为常
数，d为自变量，则：
C C
其中：
N4

r 1 1[r (a d) d
]
d d
N4
1
1 N4 (d
d)
（3-2）
在 (N4(d d) 1) 的情况下
展开（3-2）得：
C C

d d
N 4 [1
N4 (d
d)
电容式微加速度计的种类
• 压阻式电容加速度计； • 压电式电容加速度计； • 电容式电容加速度计； • 谐振式电容加速度计； • 隧穿式电容加速度计； • 热对流式电容加速度计；
MEMS电容式加速度计的结构设计原则
• MEMS电容式加速度计结构的设计要综合考虑各项性能以 达到最佳的整体性能。考虑硅材料的固有材料特性和 MEMS加速度计的实际功能，在硅微结构的设计过程中， 除了应满足具有较好的强度、易于加工和线性原则外，还 应考虑一下一些原则：
制作：WMQ、L S
概要
• 主要分四部分： • 1 MEMS微加速度计简述 • 2 MEMS电容式加速度计介绍 • 3 电容式加速度计分类及原理 • 4微加速度计的技术现状和发展趋势 • 5现阶段的技术难题和发展趋势与展望 • 6总结
加速度计简述
• 加速度计是用来测量加速度的仪器，在航天、制导、航海、以及汽车 等领域具有重要的应用价值。传感器、软件、控制和执行器、构成了 现代化汽车的重要部分，性能好、价格低的MEMS传感器和执行器正 是现代化汽车系统所需要的。微机械加速度计已经成功地应用于汽车 电子领域,包括汽车安全气囊、振动补偿、防滑系统等方面,用于提高 汽车的可操纵性、安全性和舒适性MEMS惯性传感器的发展必将促进 现代化汽车的发展。
VTI单轴模拟输出加速度传感器SCA610C28H1A
技术特征 轴数：1轴（水平） 带宽： 50HZ 灵敏度：1.2V/g 温漂： ±0.6mg/°C 量程：±1.7g 工作温度 -40~125℃ 输出噪声 ：直流工作下，最大为5mV RMS 供电电源：4.75V~5.25V 功耗：4mA 主要应用场合：SCA6x0系列加速度计目标市场是 汽车行业，所以根据汽车行业的可靠性、稳定性要 求所设计、生产和测试的。 该系列的加速度计传感 器具有显著的负载能力和非常好的冲击耐久性。
△c1
△c2
△d1 △d2
图1-2
14
c

c0

c

0A
d0 d

0A
d0 (1 d
d0)

c0
1 1 d
d0
c / c0

d d0
1 1 d

d d0
(1
d )1 d0
d0
∵ △d/d0远小于1，展开得：
c
/
c0

d d0
[1

d d0

(
d d0
)2
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
N4 (d
d )2
...]
（3-3）
N4既是灵敏度因子，又是非线性因子
微加速度计的技术现状和发展趋势
MEMS加速度计行业前景
美国iSuppli发布的MEMS市场调查结果，2013年加速度传感器将成 为MEMS市场上最热门的产品，加速度传感器市场2008～2013年将以年 均10％的增长率增长，2013年的销售额将达到17亿美元。从价格上看 ，占据全球50%加速度计市场ST公司的最近推出的高端LIS3DSH传感器 于2012年第一季度开始量产，1000件的单位定价1.2美元 。它是全球 首款推出±2g、 ±4g、 ±8g、 ±16g全量程覆盖三轴线性加速度计 ，预计出货量将达到16亿颗，而在智能终端这种对性能指标要求不是 非常高的领域，价格在早在2008年底就已经跌到1美元以下，并且已 经成为智能终端的标准配置。
d
d0
100 0 0
16
d0
变面积式的电容式MEMS器件原理
如图（2-1）表示通过动板极移动，引起
两极板有效覆盖面积S改变，使电容变化。 b
C0

lb
d
C

C0

C


(l
l)b d

lb
lb
d

C0

lb
d
l 图2-1
电容相对变化：
C l Cl
灵敏度为：Sn

r
)
（3-1）
N2

1 [ r
1 (a
d
)
d
为灵敏度因子；N3
]

1[d
1 r (a

d)]
为非线性因子；
将（3-1）式展开为：
C C

r r
N 2 [1
N
3
(
r
r
)
N
3
(
r
r
)2

N3
(
r
r
)3
...]
N2、N3都与d/（a-d）有关，此值愈大灵敏度愈高，非线性愈小
电容式MEMS器件的工作原理及结构形式
当忽略边缘效应时，平板电容器的电容为：
S
C S 0 r S
d
d
d

0 ---真空的介电常数=8.85×1012
r

0
对真空他的值为1。
单位：cm2 ,若S取 d cm，C的单位为PF，则C r S
公式中右边三个参数任意改变那一个都可作成 d
加速度计的应用领域
• 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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MEMS加速度计的特点
• 尺寸小 • 重量轻 • 成本低 • 易集成 • 功耗小 • ……
根据当今的发展趋势，MEMS加速度计在不久的将来有可 能独占中高精度的加速度计市场的潜力。