I. 近十年硅微电容式加速度计发展综述
I.1. 概述
MEMS加速度计具有非常广泛的应用，由于其批量制造低成本的特性，在过去的若干年广泛应用于消费电子市场，取得了巨大的成功。然而MEMS加速度计的发展并不止步于此，新的研究成果不断出现，使人们相信MEMS加速度计不仅能在其擅长的小型化低成本低功耗方向更进一步，而且还具有冲击中高性能应用的潜力。
MEMS电容式加速度计主要有两种实现形式，一种是面内检测(In-plane)，另外一种是面外检测(Out-of-plane)，也就是z轴敏感的加速度计。而两者对比见下表所示：
同时在04年以前的工作中，硅微加速度计的精度在不断提高，同时面内和面外敏感的加速度计由于其各有特点，应用目标也不尽相同，因此都取得了很大的进步。下图为04年前电容式加速度计的发展趋势，可以看出面外传感的加速度计在性能上相对面内传感的结构有优势。同时加速度计的性能也在按照类似摩尔定律的规律提升。
从05年到15年，硅微电容式加速度计又经历了一段发展时期，展现出了两条相对独立的发展路线，逐渐诞生了一些产品可以适用于高端应用领域。同时也在低成本方面有了进一步的突破。
I.2. 主要团队成果介绍
A. Colibrys
结构简介：其目标定位实现一系列高性能MEMS加速度计，可能用于飞行器航姿稳定系统以及更严格的空间应用。因此采用了面外敏感（z轴敏感）的原理来实现高精度加速度计。该公司代表性产品RS9000系列采用了一种三层硅的结构，如下图所示：
每层硅片采用DRIE（深反应离子刻蚀）技术实现了非常厚的检测质量，从而降低了结构的布朗噪声。提高了分辨率。
该三层结构中，顶层和底层为固定电极。中间层为检测质量和支撑系统，同时三层硅通过一种Silicon Fusion Bonding（SFB）的键合技术连接在一起，保证了不同硅片之间的平衡性，同时也可以实现一个密封的腔体，从而能够控制结构所处环境的气体阻尼。
最新动态：在这个基础上，colibrys 2012年发表的文章介绍了一款导航级Sigma-Delta MEMS加速度计。该加速度计接口部分使用前放和ADC，其余电路全部在数字中完成。同时，采用闭环结构，降低了结构等效噪声和量化噪声，同时提高了结构的线性度，保证了振动环境下的性能。
在这些技术的支持下，该样机在温度（300ug残留），噪声（2ug/rt(Hz)），振动性能(10ug/g2)上均表现出优异的性能，其性能参数如下表所示：
在这个基础上，Colibrys在2014年展示了一个针对严峻环境下工作的加速度计。该加速度计使用开环原理工作，并且配合新的芯片粘贴技术，使其具有超高的鲁棒性，同时采用电荷平衡技术的读出电路，使其仍然能够保持足够好的性能。
该系列加速度计能够工作在超高辐射（150 MeV Xe ions at fluence of 106 Ions/cm2）和高温度下（175℃），并且能够抵抗10000g的冲击，满足了工业应用和空间应用。该系列加速度计实现了0.6ppmFs/rt(Hz)的分辨率，略低于其高性能闭环样机（≈0.1ppmFs/rt(Hz)）。
总之，Colibrys公司在保持加速度计性能的同时，关注其综合稳定性和环境适应性，已经走出实验室，推出了若干高性能的加速度计产品，其加速度计在若干领域成功替代了传统的方案。
参考文献：
[1] 2010 High Performance Inertial Navigation Grade Sigma-Delta MEMS Accelerometer
[2] 2010 RS9000, a Novel MEMS Accelerometer Family for Mil/Aerospace and Safety Critical Applications
[3] 2012 Breakthrough in High Performance Inertial Navigation Grade Sigma-Delta MEMS Accelerometer
[4] 2014 New generation of High Performance/High reliability MEMS accelerometers for harsh Environment
B. Farrokh Ayazi @ Georgia Institute of Technology
Ayazi团队在04年后，也发表了若干加速度计样机，并且具有其特点。该团队主要研发in-plane（面内运动）形式的MEMS加速度计。并且将其性能提高至与体微加工工艺相近的水平。
工作1：其第一代加速度计结构如下图所示，采用40um厚的SOI工艺，为了降低加速度计的布朗噪声，其检测质量上去掉了排孔，而该方式带来的缺陷通过干法释放的方式来解决。
电路方面，该工作改进了传统的开环Sigma-Delta检测方式，通过引入一个隔离前端放大器，将积分器与检测电容隔开，避免其相互影响，增强了系统的稳定性。同时，该工作将结构和电路集成在一块硅片上，展示出了表面工艺与IC易集成的优势，具有低成本的潜力。
工作二：其第二代样机大幅改进了工艺，同时也采用了闭环Sigma-Delta的检测方式，性能有了进一步的提高。新结构如下图所示：
为了进一步提高性能，降低布朗噪声，提高机械灵敏度。该团队从两个方面进行了改进，首先是采取low-pressure chemical vapor- deposited (LPCVD 低压化学气相沉积) 技术，在原有基础上减小电容间隙，从而提高灵敏度。其次，在结构释放过程中，刻意保留较厚的基底硅层，来增强检测质量的厚度，从而降低布朗噪声，而这也会最终反应在加速度计性能的提升上。其工艺简略流程如下：
其电路也采用了闭环的Sigma-Delta力平衡系统，增强了线性性和分辨率。第一第二代结构的对比也能很清楚的反映出新技术对性能的改善：
（a）第一代样机结构性能（b）第二代样机结构性能通过采用新的技术，检测质量的有效厚度从40um提高到120um，检测质量也从1.2mg 提升到5mg。在此结构的基础上，其制作的样机性能如下：
在±1g的量程中实现了2-8ug闭环零偏稳定性（12小时测量）。
工作三：Microgravity Capacitive HARPSS Accelerometer
06年，Ayazi又提出了一种新的方式，来降低结构机械噪声。该方式不同于之前的增加质量块的方式，而是从减小气体阻尼入手。该团队设计了一种面内的加速度计，带有起皱的检测电极（corrugated electrode），如下图所示。
这种结构缓解了传统平板电容运动时压缩气体产生的阻尼，从而降低了机械布朗噪声，缓解了对刻蚀和真空封装的需求，降低了器件成本。该结构在保证其余主要性能参数的前提下，最终实现了0.67ug/rt(Hz)的机械等效加速度噪声（BNEA）。
总之，Ayazi的团队致力于提高面内检测加速度计的性能，通过增加间隙电容（Reduced Capacitive Gaps），增加检测质量（Extra Seismic Mass），降低阻尼（corrugated electrode）等方面入手，对面内加速度计性能提升做出了贡献。
参考文献：
[1] 2004 A 2.5-V 14-bit Sigma-Delta CMOS SOI Capacitive Accelerometer
[2] 2005 Micro-gravity capacitive silicon-on-insulator accelerometers
[3] 2006 A 4.5-mW Closed-Loop Sigma-Delta Micro-Gravity CMOS SOI Accelerometer
[4] 2006 Design Optimization and Implementation of a Microgravity Capacitive HARPSS Accelerometer
[5] 2007 Sub-Micro-Gravity In-Plane Accelerometers With Reduced Capacitive Gaps and Extra Seismic Mass
[6] 2010 US Patent, No. US 7,757,393 B2
C. Khalil Najafi@University of Michigan
Khalil Najafi 团队主要提出了一种检测质量分离的三轴加速度计解决方案，使用一种表面和体工艺组合的工艺方式（非常复杂的工艺，增加了成本），实现了475um检测质量厚度，在三个敏感轴均实现了很高的性能。其结构原理图如下所示：
该结构采用七层掩膜版和双面工艺，成本极高，同时由于该结构是双面结构（double sided），其封装成本也较高。但是该设计三个轴向的性能均达到了在±0.3g的量程范围内，实现了<2ug/rt(Hz)的性能。
参考文献：
[1] 1998 Micromachined Inertial Sensors
[2] 2004 An In-Plane High-Sensitivity, Low-Noise Micro-g Silicon Accelerometer with CMOS Readout Circuitry
[3] 2005 A Monolithic Three-Axis Micro-g Micromachined Silicon Capacitive Accelerometer
D. Kari Halonen@Helsinki University of Technology
工作一：单片MEMS三轴加速度计
Halonen的团队出身于ADC，转而开始设计电容式加速度计，其07年发表的三轴加速度计瞄准消费电子领域，在小体积，低功耗方向有所突破。其加速度计结构如下图所示：
该加速度计使用四块对称的检测单元，每一个单独的质量块可以绕其锚点扭转，而通过质心位置和锚点位置的合理选择，使得检测质量会敏感两个方向的输入加速度，通过线性解算，从而得到每一个单独轴向的加速度。
此外，在该工作中，IC芯片和MEMS芯片相对独立，通过bonding wire连接在一起，在IC芯片中，集成了频率发生器，基准源。同时提供了两种工作模式，超低功耗模式和中等性能模式，使系统能够重构，从而应用在更广泛的领域。
其09年的测试结果显示，其样机在±4g的测量范围内实现了每一轴向低于360ug/rt(Hz)的分辨率，在三轴解决方案中，性能优异。
同时，相比于Najafi团队的设计，它工艺更为简单，同时实现了更好的性能。
工作二：高性能单轴加速度计
在单轴加速度计方面，Halonen的团队提出了一种开环-闭环混合（Hybrid）检测方式，使其具有开环闭环共同的有点，其结构如下所示：
在该工作中，使用了SBB（自平衡桥）补偿查分电容的失配，并且通过AC力反馈技术，使系统在使用一个高Q（>700）结构的情况下仍然保持稳定，从而实现低噪声。在这些技术的支持下，通过引线键合将MEMS和IC集成组成样机，实现了较高的性能，其测试结果如下：
其测试结果显示，样机实现了13ug零偏稳定性和2ug/rt(Hz)的分辨率，同时样机的量程也达到了±1.15g。其综合性能如下表所示：
总之Helonen团队重心放在电路上进行改进，在各种开关电容检测电路上做出了贡献。参考文献：
[1] 2004 Advanced Microsystems Automotive Applications
[2] 2011 A Charge Balancing Accelerometer Interface with Electrostatic Damping
[3] 2008 A 1.5μW 1V 2nd-Order DS Sensor Front-End with Signal Boosting and Offset Compensation for a Capacitive 3-Axis Micro-Accelerometer
[4] 2008 A 21.2μA SD Based Interface ASIC for a Capacitive 3-Axis Micro-Accelerometer
[5] 2007 A 62μA Interface ASIC for a Capacitive 3-Axis Micro-Accelerometer
[6] 2007 A Micropower Interface ASIC for a Capacitive 3-Axis Micro-Accelerometer
[7] 2009 A Micropower SD Based Interface ASIC for a Capacitive 3-Axis Micro-Accelerometer
[8] 2012 A High-Resolution Accelerometer With Electrostatic Damping and Improved Supply Sensitivity
E. Andrei Shkel@UCI(University of California Irvine)
Shkel的团队在05年至08年间，发表了一系列法布里-珀罗（Fabry–Pe′rot）光干涉原理的微加速度计。这种光学加速度计具有带宽大，分辨率高，抗振动的特性，具有一定的应用前景，同时可能应用在全光路的系统中。
使用MEMS工艺制成双层结构，下方为基底，上方为检测质量，当有加速度输入时（沿着z轴方向）。检测质量和基底的间隙会发生改变，通过光学原理检测间隙从而得到加速度输入。
结构需要靠一个宽带的光源作为输入，而该光源通过检测质量和基底形成的间隙时，发生干涉，具有特定波长的光谱分量会发生干涉，从而在输出可以检测到该波长的分量。当外加加速度输入时，机械间隙发生改变，从而输出能探测到的光波长也会改变，通过检测该波长，可以得到输入加速度。
经过测试，该样机可以实现±0.1g的量程下，3ug/rt(Hz)的分辨率，或者在±0.8g的量程下实现，330ug/rt(Hz)的分别率。同时达到了2kHz的带宽。但是由于其非线性的特点，结构仍然需要向差分方向改进。但是可以看出这种结构在性能上的潜力。
总之，光学微加速度计在性能方面表现出极强的潜力，但是由于其检测手段无法与集成电路兼容，极大地限制了其应用。
参考文献：
[1] 2005 Conceptual design and preliminary characterization of serial array system of high-resolution MEMS accelerometers with embedded optical detection
[2] 2005 Designing Micromachined Accelerometers with Interferometric Detection
[3] 2006 Performance Trade-offs of an Interferometric Micro-g Resolution Accelerometer
[4] 2008 The effect of squeeze film constriction on bandwidth improvement in interferometric accelerometers
[5] 2007 Design and Demonstration of a Bulk Micromachined Fabry–Pérot ug-Resolution Accelerometer
F. Others for Consumer Electronics
Weileun Feng@National Tsinghua University
台湾国立大学的Weileun Feng团队致力于在标准CMOS工艺下制作三轴加速度计，这将极大地降低单片成本，应用于消费电子领域。
由于前面所述三轴加速度计设计了多质量块，虽然可以有效减小轴之间的耦合，但是消耗了更大的芯片面积，也就是增加了成本。因此他们提出了一种单质量块的结构，可以最大化缩减芯片面积。如下图所示：
由于采用CMOS工艺，因此质量块需要排孔，同时厚度也非常有限，可以预见这种方式制成的加速度计不会具有较高的分辨率。但是为了在有限的条件下最大化收益，他们利用了多层金属堆叠形成较大的面内间隙电容，从而提升灵敏度。
在流片完成样机后进行测试，他们的机械结构在±1g的测量范围内实现了360ug/rt(Hz)的性能，但是与IC联合测试结果显示，其最新的加速度计样机可以达到每轴不高于2.5mg/rt(Hz)的分辨率，仍然有提升空间。
参考文献：
[1] 2007 On the sensitivity improvement of CMOS capacitive accelerometer
[2] 2010 Implementation of a Monolithic Single Proof-Mass Tri-Axis Accelerometer Using CMOS-MEMS Technique
[3] 2012 A Three-Axis CMOS-MEMS Accelerometer Structure With Vertically Integrated Fully Differential Sensing Electrodes
R.T. Howe@ Stanford University
为了进一步降低成本，适应消费电子市场的需求，Howe的团队提出了用打印的方式制作加速度计，它在塑料基底上进行打印，相比于MEMS和IC工艺，省去了昂贵的掩膜版，其成本会进一步降低。
参考文献：
[4] 2011 A REEL-TO-REEL COMPATIBLE PRINTED ACCELEROMETER
Tokyo Institute of Technology
日本TIT团队研制了一种电容加速度计阵列，通过一系列带有不同质量块的加速度计组合测量来实现较宽范围的测量，并且保证一定的分辨率。
参考文献：
[5] 2013 AN ARRAYED MEMS ACCELEROMETER WITH A WIDE RANGE OF DETECTION
I.3. 总结
近十年来，硅微电容式加速度计的发展主要强调高性能和低成本两个方面。在提升性能方面，采用各种技术增大检测质量，减小电容间隙，降低气体阻尼是可行的途径。而在这些过程中也会出现一系列问题，需要采用特定的技术去解决。
而在降低成本方面，三轴单片集成，CMOS工艺是发展趋势，而在这两个大原则下，如何进一步提升传感器性能也是研究热点。
注释：橙色标记为out-of-plane加速度计，白色为in-plane加速度计。
A: Colibrys
B: Georgia Institute of Technology
C: University of Michigan
D: Helsinki University of Technology
F: National Tsinghua University
II. 近十年硅微谐振式加速度计发展综述
I.1. 概述
硅微谐振式加速度计相比于电容式加速度计具有两大优点，由于它是频率调制，因此其量程不会取决于机械振幅或是电路摆幅度，可能实现较大量程。其次，频率调制也意味着输出信号是一种准数字化信号，不需要复杂的A-D转换模块就可以实现数字输出。
I.2. 主要团队成果介绍
A. Draper
05年Draper发表文章介绍了其高性能硅微谐振式加速度计，设计了两种结构相同参数不同的加速度计结构，目标分别瞄准船用导航（SIN）和战术导弹（Missile Guidance）的领域。同时采用器件级真空封装，实现高达100000的Q值。
同时，经过测试，Missile Guidance SOA达到了±100g的量程和0.5ug的ALLAN方差零偏不稳定度。而SINS SOA实现了±2g量程和低达0.08ug的零偏不稳定度。
同时draper还针对SINS SOA测试了其长时间稳定性，结果显示它的标度因数漂移约为0.1ppm/day，零偏漂移约0.064ug/day。表现出很强的长期稳定性。
Draper的SOA面向军用，其性能在05年已经达到很高的水平。
参考文献：
[1] 2005 The Silicon Oscillating Accelerometer: A High-Performance MEMS Accelerometer for Precision Navigation and Strategic Guidance Applications
B. Politecnico di Milano, Italy
意大利米兰理工学院的团队研究方向为硅微谐振式加速度计在消费电子方面的应用。因此他们着重改进系统功耗，成本等方面的问题。下图为该团队设计的MEMS加速度计结构。它采用平板电容作为执行器和检测单元，实现了很大的接口电容。但是由于这种结构会受制于静电负刚度效应（Amplitude-Stiffening Effect），偏置电压的噪声对谐振噪声有较大影响。
同时，该团队将MEMS谐振器嵌入皮尔斯振荡器中，并且应用了一种工作在亚阈值区的对MOS管来实现幅度检测和限制，使机械结构振幅控制在线性的范围内。在这种设计下，该加速度计实现了21.6uW的功耗，并且还保持了360ug/rt(Hz)的分辨率。为MEMS加速度计在生物，健康监测领域的应用提供了一定的可能性。
然而，这种实现方式较难在单一硅片上实现三轴加速度计，这也限制了它在消费电子领域的应用。
参考文献：
[1] 2010 A Resonant Microaccelerometer With High Sensitivity Operating in an Oscillating Circuit
[2] 2012 Mechanical and Electronic Amplitude-Limiting Techniques in a MEMS Resonant Accelerometer
[3] 2012 A Pierce Oscillator for MEMS Resonant Accelerometer with a novel Low-Power Amplitude Limiting Technique
C. Andrei Shkel @UCI(University of California Irvine)
不同于传统的质量块和谐振器独立的解决方案，UCI的团队提出了一种质量块振荡的加速度计，而加速度输入轴和谐振器振动轴分别为该刚度阻尼系统相向和反向运动的两个自由
度。其原理图如下所示:
该结构有着350000的品质因数，在30°C和75°C之间的时，加速度计显示小于0.5%的标度因数变化，加速度计零偏不稳定度6ug@20sec，对于20g线性的输入，动态范围范围可达到130db。
该谐振器的反相模式的设计具有较小的能量耗散，实现较高的Q值。相比之下，同相振动具有低Q值，为了使加速度检测方向具有合理的带宽。同时，该设计还设置了可以调节静电负刚度的电极，令该样机可以在后续测试中调节其标度因数等特性。
热补偿所提出的方法利用的差分设计，这两个振荡器具有相同的灵敏度，但是反向敏感外部加速度。单晶硅频率对温度的依赖性有一个众所周知的线性关系，所以可以直接自感应的温度。在这种方法中，调频加速度计提供了一个准数字测量的输入加速度，以及直接测量的加速度计温度。该传感器成为自己的温度计，消除热滞后。
不同偏置电压下的±1g线性度
从上图的测试结果中可以看出，在6个小时的连续测量中，加速度计1和加速度计2的漂移曲线非常重合，两者相减后温度残余极小，可能得益于其谐振结构尺寸较大，因此对称性比较容易满足。但是该文章推出的自补偿技术，实际与左右谐振器乘系数相减并无区别，这种特性在所有差分谐振式加速度计中都具备。
另外这种结构的优缺点仍然需要进一步发掘，同时需要密切关注该组的动向，关注其未来相对成熟的样机所能实现的性能。
参考文献：
[1] 2013 SILICON ACCELEROMETER WITH DIFFERENTIAL FREQUENCY MODULATION AND CONTINUOUS SELF-CALIBRATION
[2] 2015 High Quality Factor Resonant MEMS Accelerometer With Continuous Thermal Compensation
D. National Seoul University
韩国首尔国立大学在21世纪初期做了大量有关于硅微谐振式加速度计的工作。最具代表性的就是它不仅实现了传统的面内敏感的谐振式加速度计，同时也提出了一种z轴敏感的谐振式加速度计。虽然这种z轴敏感的加速度计并不是一个传统意义上的应力计式加速度计，反而更像一种电容式加速度计。其面内和面外的加速度计原理如下图所示：
（a）面内加速度计方案（b）面外加速度计方案该结构有两种模态构成，包含垂直运动的模态以及扭转模态。
垂直运动的模态：当z方向输入加速度时，由于质量块M1与M2重量不等，会发生如下图的运动，M2向着加速度方向移动，M1向相反方向运动。
扭转模态：
当加速度输入时，由于物块垂直方向的运动，会对M R产生一个平均的位移，且两个M R运动方向相反，且成恒定的比例，由于空隙大小的变化会改变扭转的刚度，就会改变谐振频率。由于加速度输入时差模的可以放大输入，温度等噪声是共模的可以抵消。
但是可以看出，对输入加速度的检测原理仍然是检测z轴的电容间隙，即使这个间隙调制在频率上，但是这仍然属于一个电容式加速度计。并未改变谐振式加速度计难以单片集成三轴的现状。
随后，该团队在此基础上制作面内面外两轴加速度计样机。使用晶圆级真空封装，如下图所示
测试结果显示，其Allan方差稳定性在两个轴向均优于10ug，验证了±1g的测量范围。但是该团队在近五年较少发表论文，也许说明这种伪z轴谐振式原理下的性能并没有再进一步提升。
参考文献：
[1] 2005 Inertial-Grade Out-of-Plane and In-Plane Differential Resonant Silicon Accelerometers (DRXLs)
[2] 2000 A vacuum packaged differential resonant accelerometer using gap sensitive electrostatic stiffness changing effect
第３卷第４期２００５年１２月 纳米技术与精密工程 ＮａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖ０１．３Ｎｏ４ Ｄｅｃ２００５一种新型高灵敏度横向电容式硅微加速度计 宋飞，王欣，王奕松，陈兢 （北京大学微电子学研究院，北京１００８７１） 摘要：提出了一种新型高灵敏度横向电容式硅微加速度计．根据差分电容极板间正对面积的改变来检测加速度走小，保证输出电压与加速度之间的线性度系统刚度可由静电力调节为了提高电学灵敏度，在检测电容极板上设计高Ｋ介质层，增大了检测电容量，减小了杂散电容的影响使用ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ对本设计进行机械分析、力电耦合分析和模态分析，仿真结果与理论计算相吻合加速度计使用简单的表面牺牲层工艺即可完成，具有很好的发展前案． 关键词：微机电系统；横向敏感；刚度调节；高Ｋ介质；电容式加速度计 中图分类号：ＴＮ８２４４文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—６０３０（２００５）０４—０２８３—０７ ＡＮｏｖｅｌＴｕｎａｂｌｅＬａｔｅｒａｌＳｅｎｓｉｎｇＣａｐａｃｉｔｉｖｅＳｉｌｉｃｏｎＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ＡｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｗｉｔｈＨｉ曲Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ＳＯＮＧＦｅｉ，ＷＡＮＧＸｉｎ，ＷＡＮＧＹｉ?ｓｏｎｇ，ＣＨＥＮＪｉｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ０ｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＰｅｋｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８７１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｏｖｅｌｌａｔｅｒａｌｓｅｎｓｉｎｇｃａｐａｃｉｔｉｖｅｓｉｌｉｃｏｎａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ，ｈａｖｉｎｇｔｕｎａｂｌｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｂｙｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｆｏｒｃｅ．ｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｉｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｍｏｄｉｆｙｉｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｏｖｅｒｌａｐａｒｅａ０ｆａｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｃａｐａｃｉ－ｔｏ。ｐａｉｒａｎｄｔｈｅｌｉｎｅａｒｉｔｙｂｅｔｗｅｅｎｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｉｓｅｎｓｕｒｅｄ．Ｔｏｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ．ｈｉｇｈＫｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｌａｙｅｒｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｓｅｎｓｉｎｇｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ．ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ－ｅｌｅｃ—ｔｒｉｃａｌｃｏｕｐｌｅｄａｌｌａｌｖｓｉ８ａｎｄｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｗｉｔｈ ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｌｅｍａｔｃｈｅｄｖｅｒｙｗｅｌｌｗｉｔｈｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ．Ｉｔｉｓａｓｉｍｐｌｅｓｕｒｆａｃｅｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｇｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｆｌｏｗｔｏｓｅｔ“ｐｔｈｅａｃｃｅｌｅｒｏ—ｍｅｔｅｒｗｉｔｈａｇｏｏｄｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ；ｌａｔｅｒａｌｓｅｎｓｉｎｇ；ｓｔｉｆｆｎｅｓｓｔｕｎｉｎｇ；ｈｉｇｈＫｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ；ｃａｐａｃｉｔｉｖｅａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ 加速度计是重要的惯性仪表之一，广泛应用于惯性导航与制导系统、高技术武器和安全气囊等领域．从２０世纪９Ｄ年代开始，微加速度计得到了迅速发展，出现了基于多种物理效应的加速度计，如电容式、隧道电流型、压阻式、压电式和热对流式等．目前各国的微机械加速度计的研究方向主要集中于高分辨率、多轴集成和数字化输出三个方面“１．多轴集成的加速度计虽然只是发展的一个方向，但需要三个谐振频率相近且相互正交的工作模态来检测三个轴向的加速度计，由于三个模态间的相互干扰及较高的偏轴灵敏度问题，加之工艺复杂，故限制了其实现．最简单的三轴加速度计可以将三个单轴加速度计相互正交地制作于同一硅衬底上…，故本文主要研究单轴微加速度计．电容式硅微加速度计由于物理机制明确、敏感器件制作简单且不受温度影响，其研究最为透彻，是目前设计的主流． 本文提出了一种新型横向电容式微加速度传感器，利用电容差值与极板正对面积的线性关系来检测加速度，以确保系统在大范围内的线性度．传感器采用梳齿差分形式的检测电容，可以较好地抑制外界干扰，降低偏轴灵敏度．此外，还利用ＭＥＭＳ静电驱动中的弹簧软化（ｓｐｒｉｎｇｓｏｆｔｅｎｉｎｇ）”ｏ现象，调整系统刚度到期望值．为了减小寄生电容对灵敏度的影响，采用溅射高Ｋ介质的方法来增大检测电容值，以提高加速度计的 收稿日期：２００５．０９－０９． 作者简介：宋飞（１９８２），男Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｏｎ出ｌ＠ｉｍｅｐｋｕｅｄｕｃｎ 联系人：陈兢（１９７４一），男，副教授Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｃｈｅｎ＠ｉｍｅ．ｐｋｕｅｄｕ．Ｃ１３．
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。
微加速度传感器的研究现状及发展趋势 摘要：介绍了为加速度传感器的研究现状、基本原理及其分类和发展趋势。重点论述了为加速度传感器的特点和它在民用领域和军用领域的不同应用，并对微加速度传感器领域内一些新的进展进行了讨论，指出了微加速度传感器的发展趋势。 关键词：MEMS 微加速度传感器 应用 发展趋势 Research and Development of Microaccelerometer Abstract：The research situation, the basic principle,classification and its development trend of acceleration sensor are introduced.The characteristics and application in civil areas and military field are discussesed, and some new progress to the micro acceleration sensor field are discussed.The development trend of micro acceleration sensor is proposed. Keywords：MEMS Micro acceleration sensor Applications Development trend 0前言 20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。 加速度计面世后一直作为最重要的惯性仪表之一，用在惯性导航和惯性制导系统中，与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起受到重视。这时候的加速度计整个都很昂贵，使其他领域对它很少问津。 这种状况直到微机械加速度计(Micro Mechanical Accelerometer，MMA)的问世才发生了改变。随着微机电系统技术的发展，微加速度计制作技术越来越成熟，国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。微加速度计与通常的加速度计相比，具有很多优点：体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。它可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域，具有广阔的应用前景。 当前国内在加速度技术上仍沿用传统的压电技术，精度停留在5×10-5g水平上，而且尺寸偏大，重量偏重，影响我国惯导技术的先进性。近年来国内虽然有多个单位MEMS微加速度计进行了研究，但在精度上仍未取得突破，大体上只能达到10-1g的水平。 1微加速度传感器概述及发展现状 1.1微加速度传感器的工作原理 MEMS加速度传感器是以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础，在单晶硅片上制造出来的微机电系统，包括微机械加速度计、微机械陀螺仪和微惯性测量组合(MIMU)。微加速度传感器的工作原理是经典力学中的牛顿定律，其功能是测量运动物体(如车辆、飞机、导弹、舰艇、人造卫星等)的质心运动和姿态运动，进而可以对运动物体实现控制和导航。MEMS微加速度传感器与非MEMS为加速度传感器相比，其体积和价格可减少几个数量级，对国防具有重大战略意义。基于MEMS加速度传感器建低成本、高性能的微型惯性导航系统正在成为当前惯性技术领域的一个研究热点。
加速度测量系统 机自111班孙文龙 201100314128
摘要 现代科学技术日新月异，特别是电子测量技术的发展使加速度测量得到迅速发展。目前各种领域中的加速度测量几乎都是电气式的。其特点是动态范围宽、科员距离测量、易于微机相结合进行参数分析、数据处理、趋势分析及实现故障监测与控制。尤其在瞬态、冲击和随机振动等复杂参数的测量中电子加速度计几乎是为唯一的测量手段。 随着科学技术的不断发展，自动化智能化一步一步走入人们生活中的每一个角落。然而自动化与智能化的实现无疑离不开传感器。在传感器这个大家族之中，电容式传感器又占有举足轻重的位置。电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。 本次实验设计了一电容式测量加速度的传感器。利用滑块的惯性和弹簧的弹力带动介子的移动。介子的移动是电容的电容量发生变化，这个电容的变化转变为电流的变化。通过运算放大器的作用，把信号放大。再通过A/D转换把信号转变为数字量，最后显示在屏幕上。 关键词：电容式加速度传感器；信号放大；变介电常数。
电容式加速度传感器的特点及其背景传感器是一种应用非常广泛的设备，在各种自动控制过程中，它能迅速客观地反映 出实际情况。电容式传感器有很多，但原理相同。平行板电容器的电容C跟介电常数ε成正比跟正对面积成反比根极板间的距离d成反比有：C=εS/4πkd 式中k为静电力常量。通过改变介质，极板距离，极板正对面积，这三个参数之一使传感器的电容发生变化，再通过电荷放大器，将电容变化或电量变化转换成容易用电路处理电压或电流量。这就是电容式传感器的特点，通过上面的原理可以做成很多传感器，比如测长度的，测角度，测空气粉尘，空气湿度，还有声音，振动等，精度很高，比如测振动的精度可以达到零点零几个微米。但是测长度的线性度不好，需要通过电路矫正，还有容易受到电路中的寄生电容的影响，所以电路设计的时候要很注意。 把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图）。若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA/δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。δ、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化(见电容式压力传感器)。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。 70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。 测量物体相对于大地或惯性空间的运动，通常采用惯性式传感器。惯性式传感器种类很多，用途广泛。加速度传感器的类型有压阻式、压电式和电容式等多种，其中电容式加速度传感器具有测量精度高，输出稳定，温度漂移小等优点。而电容式加速度传感器实际上是变介电常数电容式位移传感器配接“聍忌一c”系统构成的。其测量原理是利用惯性质量块在外加速度的作用下与被检测电极间的空隙发生改变从而引起等效电容的变化来测定加速度的。 本次实验利用惯性原理，加速的变化使滑块动作，从而带动介子移动。使电容的介电常数发生改变，通过测量这个介电常数的变化进一步反映加速的大小以及方向。 实验的目的和意义 通过这次实验,掌握传感器的工作原理,了解简单多功能传感器组成原理，初步掌握多功能传感器的调整及测试方法，提高动手能力和排除故障的能力。同时通过本课题设计与装配、调试，提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立传感器的理论和实践的结合，了解多功能传感器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算各个单元电路
I. 近十年硅微电容式加速度计发展综述 I.1. 概述 MEMS加速度计具有非常广泛的应用，由于其批量制造低成本的特性，在过去的若干年广泛应用于消费电子市场，取得了巨大的成功。然而MEMS加速度计的发展并不止步于此，新的研究成果不断出现，使人们相信MEMS加速度计不仅能在其擅长的小型化低成本低功耗方向更进一步，而且还具有冲击中高性能应用的潜力。 MEMS电容式加速度计主要有两种实现形式，一种是面内检测(In-plane)，另外一种是面外检测(Out-of-plane)，也就是z轴敏感的加速度计。而两者对比见下表所示：
同时在04年以前的工作中，硅微加速度计的精度在不断提高，同时面内和面外敏感的加速度计由于其各有特点，应用目标也不尽相同，因此都取得了很大的进步。下图为04年前电容式加速度计的发展趋势，可以看出面外传感的加速度计在性能上相对面内传感的结构有优势。同时加速度计的性能也在按照类似摩尔定律的规律提升。
从05年到15年，硅微电容式加速度计又经历了一段发展时期，展现出了两条相对独立的发展路线，逐渐诞生了一些产品可以适用于高端应用领域。同时也在低成本方面有了进一步的突破。 I.2. 主要团队成果介绍 A. Colibrys 结构简介：其目标定位实现一系列高性能MEMS加速度计，可能用于飞行器航姿稳定系统以及更严格的空间应用。因此采用了面外敏感（z轴敏感）的原理来实现高精度加速度计。该公司代表性产品RS9000系列采用了一种三层硅的结构，如下图所示： 每层硅片采用DRIE（深反应离子刻蚀）技术实现了非常厚的检测质量，从而降低了结构的布朗噪声。提高了分辨率。 该三层结构中，顶层和底层为固定电极。中间层为检测质量和支撑系统，同时三层硅通过一种Silicon Fusion Bonding（SFB）的键合技术连接在一起，保证了不同硅片之间的平衡性，同时也可以实现一个密封的腔体，从而能够控制结构所处环境的气体阻尼。 最新动态：在这个基础上，colibrys 2012年发表的文章介绍了一款导航级Sigma-Delta MEMS加速度计。该加速度计接口部分使用前放和ADC，其余电路全部在数字中完成。同时，采用闭环结构，降低了结构等效噪声和量化噪声，同时提高了结构的线性度，保证了振动环境下的性能。
微加速度计原理与应用 a 在20 世纪40 年代初，由德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来，由于航天、航空和航海领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，性能和精度也有了很大的完善和提高。加速度计面世后作为最重要的惯性仪表之一，用在惯性导航和惯性制导系统中，与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起。这时候的加速度计整个都很昂贵，使其他领域对它很少问津。 直到微机械加速度计的问世，这种状况才发生了改变。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，汽车的防撞气囊就是利用加速度计来控制的。微加速度计的工作原理 微加速度计的结构模型如图所示：它采用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应加速度。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。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，当质量块的发生位移时，可动臂和固定臂（即感应器）之间的电容就会发生相应的变化；如果测得感应器输出电压的变化，就等同于测得了执行器（质量块）的位移。既然执行器的位移与待测加速度具有确定的一一对应关系，那么输出电压与外界加速度也就有了确
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
《微机电系统设计学》读书报告 ——微加速度传感器概述查阅资料前，预计要解决的问题： 1)微加速度传感器的产生 2)微加速度传感器相比于传统传感器存在的优势 3)微加速度传感器工作原理 4)微加速度传感器主要有哪些类型，不同类型的特点 5)不同类型的微加速度传感器大致结构和工作机制 6)微加速度传感器主要应用及其发展趋势和前景 7)国内外微加速度传感器的发展 查阅的主要书籍及论文如下： 1.刘昶等微机电系统基础[M] 北京：机械工业出版社，2007 2.李德胜等MEMS技术及其应用[M] 黑龙江: 哈尔滨工业大学出版社，2002 3.傅建中等微系统原理与技术[M] 北京：机械工业出版社，2005 4.刘好等微加速度传感器的研究现状及发展趋势[J] 光学精密工程2004,12(3)： 81-86 5.李圣怡等微加速度计研究的进展[J] 国防科技大学学报2006（04）：34-37 针对预期解决的问题，对查阅的资料进行整理。 一、微加速度传感器概述 自19世纪产业革命以来，传感器作为检测单元不断用于改善机器系统的性能和提高系统的自动化程度。随着MEMS技术的不断发展，特别是其加工技术，如蒸镀、刻蚀，微细加工的进步，过去很难加工的工艺变得容易了。通过蒸镀可以制成均匀的、稳定的，并可以把拾取信息的敏感部分和电路集成于一体。例如，微加工技术可在半导体材料上，利用刻蚀方法使局部厚度变成几个微米而感受压力的敏感膜，从而避免了传统的把感压膜固定在装置上而产生的诸多不稳定因素。除了敏感元件及其信号处理电路，调节机构甚至运动元件也都可以利用微加工技术集成在一起，在相对极小的空间里制作出测量和控制系统。 各种各样的微传感器已经问世，测量对象从机械量的位移、速度和加速度到热工学量的温度和基于温度特性的红外图像和流速，以及磁场、化学成分等应有尽有。同传统传感器相比，微传感器具有体积小、质量轻、功能灵活、功耗小，以及成本低廉等特点。20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。美国AD公司、美国加州大学Berkeley分校(UCB)、德国Dresden大学、
Si 微电容式加速度计动态参数的提取 郑 锋,卞玉民 (中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄 050051) 摘要:介绍了一种电容式微Si 加速度计的基本结构以及静电激振法用于电容加速度计动态参数测试的基本原理。提出了在开环条件下,采用静电激振法对该类型电容加速度计动态参数测试的电路方案。通过分析获得了扫频特性曲线和阶跃响应曲线,得到了传感器的固有频率、阻尼比。试验结果表明,采用静电激振法得到的结果与传感器设计值比较接近。可以认为,开发的动态参数测试系统是快速且有效的。 关键词:静电激励;微机电系统;加速度计;电容;动态参数 中图分类号:T H 703;T H 824.4 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2008)08-0462-04 Extraction of Dynamic Parameters on C apacitance Silicon Micro 2Accelerometer Zheng Feng ,Bian Yumin (T he 13th Research I nstitute ,C E TC,shi j iaz huang 050051,China ) Abstract :The basic st ruct ure of t he capacitive accelerometer and t he basic principle of elect ro 2static excitation were int roduced ,t hat used to determine t he dynamic parameters of t he micro 2elect romechanical system (M EMS )capacitance accelerometer A brief system wit h t he elect rostat 2ic excitatio n under t he open 2loop condition was presented.The resonant f requency and damp rati 2o were o btained by analyzing t he sweep f requency curve and step response curve of t he sensor.The exp rement result s show t hat t he dynamic parameters obtained by t he elect rostatic act uating vibration met hod are clo se to t he design values of t he sensor ,and t he system is fast and effective. K ey w ords :electrostatic excitation ;M EMS (microelectromechanical system );accelerometer ;capacitance ;dynamic parameter EEACC :2575D 0 引 言 Si 电容式加速度计是加速度计向微型化发展 的研究方向之一。90年代以后,随着微电子技术和M EMS 加工技术的发展,出现了一系列基于Si 材料的电容式加速度计。典型产品如AD 公司 ADXL 系列和恩德福克公司7290系列微Si 加速度 计等。这种加速度计具有体积小、重量轻、可靠性高、功耗小等显著优点,可广泛应用于航天、汽车、测振等领域。 提取加速度计的固有频率、阻尼比等动态参数,对传感器结构参数推算、闭环设计、动静态性 收稿日期:2008-05-29 E 2m ail :bym 107@https://www.doczj.com/doc/4e15682439.html, M EMS 器件与技术 M EMS Device &Technology
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。 图6( d)进行第三次浓硼扩散,制作加速度计的板块 图6( e)进行第四次浓硼扩散,制作加速度计的挠性轴。 图6( f )选择7741玻璃,溅射Cr- Ti- Au,光刻形成电极及引出。 图6( g ) ,玻璃和硅片静电键合(注意对准)。
加速度传感器原理以及选用 什么是加速度传感器？ 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。 加速度传感器一般用在哪里？ 通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候，你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是，现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。 加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。 目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。 加速度传感器是如何工作的？ 多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。 所谓的压电效应就是 "对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应 "。 一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。 在选购加速度传感器的时候，需要考虑什么？ 模拟输出 vs 数字输出：这个是最先需要考虑的。这个取决于你系统中和加速度传感器之间的接口。一般模拟输出的电压和加速度是成比例的，比如2.5V对应0g的加速度，2.6V对应于0.5g的加速度。数字输出一般使用脉宽调制（PWM）信号。 如果你使用的微控制器只有数字输入，比如BASIC Stamp，那你就只能选择数字输出的加速度传感器了，但是问题是你必须占用额外的一个时钟单元用来处理PWM信号，同时对处理器也是一个不小的负担。 如果你使用的微控制器有模拟输入口，比如PIC/AVR/OOPIC，你可以非常简单的使用模拟接口的加速度传感器，所需要的就是在程序里加入一句类似"acceleration=read_adc()"的指令，而且处理此指令的速度只要几微秒。 测量轴数量： 对于多数项目来说，两轴的加速度传感器已经能满足多数应用了。对于某些特殊的应用，比如UAV，ROV控制，三轴的加速度传感器可能会适合一点。 最大测量值： 如果你只要测量机器人相对于地面的倾角，那一个±1.5g加速度传感器就足够了。
11998-11-26收稿;1999-01-25定稿 o本刊通讯编委 第20卷第4期 半 导 体 光 电 Vol.20No.4 1999年8月 Semiconductor Optoelectronics Aug.1999 文章编号: 1001-5868(1999)04-0237-04 硅微电容式加速度传感器结构设计 1 吴 英,江永清,温志渝o,胡 松 (重庆大学光电工程学院,重庆400044) 摘 要: 通过建立传感器的力学模型,对硅微电容式加速度传感器的特性作了详细的分析与讨论,为系统结构的优化设计提供了理论基础。 关键词: 硅微机械 电容式加速度传感器 PWM 调制中图分类号: TP212 文献标识码:A Structure optimization design of silicon micro capacitive accelerometer WU Y ing,JIAN G Y ong-qing,WEN Zhi-yu,HU Song (Optoelectronic Engineering C ollege,C hongqing University ,Chongqing 400044,China) Abstract: In this paper,the property of silicon micro capacitive accelerometer is analyzed and discussed by establishing the model of sensor,laying the foundation for optimization design of sensor system structure. Keywords: silicon m icromachine,capacitance-ty pe accelerometer,PWM modulating 1 引言 硅微力平衡电容式加速度传感器是在电容式加速度传感器的基础上发展起来的,以牛顿第二定律为理论基础,通过检测电容变化从而测得系统所承受的加速度的大小。在这种检测模式下,传感器的性能主要由梁和质量块的结构决定,在质量块一定的情况下,梁越长,传感器的灵敏度越高;在梁长一定的情况下质量块越大,传感器越灵敏。由此,在传感器几何尺寸一定的情况下,通过对传感器的静态特性、动态特性以及测量范围的分析,可实现传感器结构的优化设计。 脉宽调制(PWM )的硅微力平衡电容式加速度传感器的工作原理如图1所示,该传感器是由动极板和上下定极板构成的硅敏感元件。上下定极板是淀积有薄膜电极的玻璃,动极板是带质量块的硅微悬臂梁结构(利用硅的表面加工和体加工技术形成)。 图1 加速度传感器工作原理图 F ig.1Schematic diagram of w orking principle of accelerometer 硅微力平衡电容式加速度传感器受到加速度作用时,动极板将偏离其中心平衡位置,使上下极板与中间动极板所构成的电容值发生变化,通过电容差值检测电路,输出与动极板位移成正比的电压,利用脉宽调制电路产生控制动极板平衡的脉冲反馈信号,改变该反馈信号的脉冲宽度可以改变作用在动极板的静电力(静电力与脉冲宽度成正比),使动极板保持在中间平衡位置。 传感器系统的传递函数框图如图2所示。当增益较大频率较低时,传递函数为[1] W (s)=D (s)a(s)= 2m d 2 E A V 2h (1) 式中,m 为动极板的质量,d 为动极板与定极板之
MEMS电容式加速度传感器 学校：哈尔滨工业大学（威海） 学院：信息与电气工程学院 专业：电子科学与技术 作者：胡诣哲090260207 纪鹏飞090260208
摘要 本文从MEMS电容式加速度传感器的基本原理切入，主要介绍了该类型传感器的原理和三种主要结构：三明治式、扭摆式、梳齿式及其各自结构方面优点。同时介绍目前应用较为广泛的集成式的基于电容原理的芯片MMA7455，主要分析了该集成传感器的内部结构和应用。 关键字：MEMS，电容式，加速度传感器，MMA7455 Abstract In this paper, we discussed the MEMS capacitive accelerometer from its fundamental principle and its three main structure which are sandwich, twist, and comb. Different structures have their own advantages. We also give the introduction to a popular IC accelerometer MM7455, putting an emphasis on its internal structure and some applications. Key words:MEMS, capacitive, accelerometer, MMA7455
一、引言 1.1 MEMS 加速度传感器简介 MEMS(Micro-Machined Electro Mechanical Sensor)是微机电机械传感器的简称，它是一种微米级的类似集成电路的装置和工具。MEMS 技术是一项有着广泛应用前景的基础技术。以半导体技术和微机电加工工艺设计、制造的MEMS 传感器，集成度高，并可与信号处理电路集成在一起，大大降低了生产成本，已在汽车、消费电子和通信电子领域取得极大发展。 MEMS 加速度传感器按敏感原理的不同可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式、热对流式等。本文主要介绍MEMS 电容加速度传感器。 二、传感器工作原理与常见结构 2.1 MEMS 电容式加速度传感器工作原理 电容式微加速度传感器的基本结构是质量块与固定电极构成的电容。当加速度使质量块产生位移时改变电容的重叠面积或间距。检测到的电容信号经过前置放大、信号调理后，以直流电压方式输出，从而间接实现对加速度的检测。 如图1所示，电容式加速度传感器由两块固定电极夹着一块活动电极。在静止的情况下，活动电极与两块固定电极的距离均为d 0形成两个大小为C 0的串联的电容。 当加速度传感器检测加速度时，活动电极受加速度力产生位移，两个电容的d 发生变化。根据平行板电容的计算公式： r S C d εε= 可知两个电容的大小将发生变化。由于此时电容值和极板间隙不是线性关系，常常采用差动电容检测方式以解决线性问题： 0002 000 2r r r S S S C d d d d d d εεεεεε?= - = ?-?+? 上式在d d ?<<时成立。
微加速度传感器的测试技术 学号:07060441X29 姓名： 摘要：微型加速度传感器是一种重要的惯性传感器，是惯性组合测量系统的基础元件之一。由于航空航天，各种机器人、工业自动控制、汽车以及玩具、武器装备等领域的迅速发展，对微型加速度传感器提出了多维、集成化等需求。而硅微加速度传感器是MEMS器件中的一个重要分支，具有十分广阔的应用前景。由于硅微加速度传感器具有响应快、灵敏度高、精度高、易于小型化等优点，而且该种传感器在强辐射作用下能正常工作，使其近年来发展迅速。本文围绕硅微加速度传感器的结构与工作原理进行了比较系统的研究，重点讨论了硅微加速度传感器的测试。 正文：21 世纪是人类全面进入信息化的时代，随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们需要获得的电子信息种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息采集技术——传感技术必须跟上信息化发展的需要。它是人类探知自然界信息的触觉，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。作为现代信息技术的三大核心技术之一的传感技术，将是二十一世纪世界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域。 微机电系统（MEMS）是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，它涉及电子、微机械、材料、制造、信息与控制、物理和生物等多种学科领域，其研究成果在国民经济和国防安全中有广泛的应用前景。目前MEMS 产品中研制最多、应用最广的是硅微机械传感器。其中硅微加速度传感器在汽车、工艺控制、航空航天、武器装备上是用得最多的MEMS 传感器之一。且来自集成电路工艺的技术发展使得低成本、大批量地生产MEMS 传感器成为可能。传感器向微型化发展的趋势，微传感器接口电路的微型化和与传感器集成，是微型加速度传感器研究的热点之一。微型加速度传感器是一种十分重要的力学敏感传感器，是微型惯性测量组合系统（MIMU）的重要基础元件。人们很早就开始了对加速度传感器结构和制造技术的研究。近年来MEMS 技术的发展，使得基于MEMS 技术的微加速度传感器在结构和工艺上具有传统的加速度传感器无法比拟的诸多优点，正逐步取代传统的加速度传感器。硅微加速度传感器的一种典型结构如图1.1 所示，梁的一端固定在边框架上，另一端悬挂一个质量块。无加速度时质量块不运动，输出为零；而当有垂直方向加速度时，质量块运动，经C/V 转换，放大解调输出与加速度信号有关的电压信号。应用于微加速度传感器的敏感机理很多，目前有文献报道的主要有压阻式、电容式、温敏式（热对流式）、真空微电子式、隧道式、热电耦式、光波导式、谐振式等形式，其中最主要的是压阻式和电容式两种形式。
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：xxx xx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 (2) 1.1 压阻式加速度传感器的组成 (2) 1.2 压阻式加速度传感器的原理 (2) 1.2.1 敏感原理 (3) 1.2.2 压阻系数 (4) 1.2.3 悬臂梁分析 (5) 1.3 MEMS压阻式加速度传感器制造工艺 (6) 1.3.1结构部分 (6) 1.3.2 硅帽部分 (7) 1.3.3键合、划片 (9) 2电容式加速度传感器 (9) 2.1电容式加速度传感器原理 (9) 2.1.1 电容器加速度传感器力学模型 (9) 2.1.2电容式加速度传感器数学模型 (10) 2.2电容式加速度传感器的构造 (12) 2.2.1机械结构布局的选择与设计 (12) 2.3.2材料的选择 (14) 2.3.3工艺的选择 (14) 2.3.4具体构造及加工工艺 (15) 3 其他加速度传感器 (17) 3.1 光波导加速度计 (17) 3.2微谐振式加速度计 (17) 3.3热对流加速度计 (18) 3.4压电式加速度计 (18) 4 加速度传感器的应用 (19) 4.1原理 (19) 4.2 功能 (19) 参考文献 (20)