《MEMS加速度计》PPT课件.ppt

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1、MEMS加速度计加速度计是一种惯性传感器，能够测量物体的加速力。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就比如地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。MEMS(MicroElectroMechanicalSystems)加速度计就是使用MEMS技术制造的加速度计。由于采用了微机电系统技术，使得其尺寸大大缩小，一个MEMS加速度计只有指甲盖的几分之一大小。MEMS加速度计具有体积小、重量轻、能耗低等优点。CONTENTS目录MEMS加速度计工作原理1MEMS加速度计的类型2MEMS加速度计应用3MEMS

2、加速度计的研究难题（国内）4MEMS加速度计的发展趋势5一、MEMS加速度计工作原理靠MEMS中可移动部分的惯性。由于中间电容板质量很大，且是一种悬臂结构，当速度变化或加速度达到足够大时，它所受的惯性力超过固定或支撑它的力，这时它会移动，它和上下电容板之间的距离也因此改变。电容的变化和加速度成正比。依据不同应用，中间电容板悬臂结构的强度或弹性系数设计也不同，且不同方向的加速度也会使MEMS结构有很大的不同。电容的变化会由另一晶片转或成电压讯号，有时也会把电压讯号放大。讯号再经转化处理，在零点和灵敏度校正后输出。二、MEMS加速度计

3、的类型压阻式微加速度计电容式微加速度计扭摆式微加速度计隧道式微加速度计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

4、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。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

5、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。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。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。当

6、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。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)。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

7、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。三、MEMS加速度计应用MEMS传感器在汽车产业中的应用MEMS运动传感器在移动电话中的应用光标或游戏机控制导航磁盘驱动器保护MEMS加速度计在鼠标的应用MEMS传感器在汽车产业中的应用1、汽车发动机控制用传感器1．1温度传感器1．2压力传感器1．3流量传感器1．4位置和转速传感器1．5气体浓度传感器1．6爆震传感器1．7节气门位置传感器MEMS传感器在汽车产业中的应用2、安全系统方面用传感器2．1微加速度传感器2

8、．2表面微机械陀螺2．3车辆监控和自诊断用传感器2．4高温微电子在汽车中的应用1．7节气门位置传感器节气门位置传感器安装在节气门上，其功能是将发动机节气门的开度信号转变成电信号，并传递给电子控制单元，用以感知发动机的负荷大小和加减速工况。最常用的是