谐振式硅微机械加速度计研究进展

微加速度计的研究现状及发展趋势（中国科学技术大学电子科学技术系）摘要：微加速度计相对于普通加速度计有许多优点，在众多领域得到了广泛的应 用。

按检测方式的不同，可将其分为电容式，压阻式，压电式，谐振式以及光学 式等。

本文详细论述了这些微加速度计的原理及最新进展，此外也列举了一些新 式的微加速度计，最后对微加速度计的市场应用和发展趋势作了探讨。

关键字：微加速度计最新进展市场应用发展趋势Abstract: Comparing with general accelerometers, microaccelerometer has many advantages and has been widely used in lots of fields. Microaccelerometer can be divided into several types according to different detection methods, including capacitive type, piezoresistive type, piezoelectric type, resonant type, optical types, etc. This letter investigates principle and the latest development of above-mentioned microaccelerometers and lists some novel types. Finally, the discussion about market applications and development trend for microaccelerometer are shown.Keywords:microaccelerometer; latest development; market applications; development trend引言MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)，微机电系统，是由集成电路技术发展而来，起始于上世纪80 年代，历经三十多年的发展已成为时下的高新技术产业，是一项关系到国家科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术。

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。

国防科学技术大学硕士学位论文硅微加速度计的特性及应用研究姓名：高强业申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：李圣怡20031101国防科学技术大学研究生院学位论文摘要集成电路及ＭＥＭＳ技术的高速发展，极大地促进了硅微惯性传感器的开发与应用。

目前在各个领域，硅微惯性传感器正呈现商业化、产业化的应用前景。

硅微惯性传感器的主要优点是：微型化、集成化、低成本、低功耗、可靠性高等。

但是，目前国内外研制出来的硅微惯性传感器大都精度较低，这在很大程度上限制了硅微惯性传感器的应用。

同时，在许多实际应用中，希望通过对加速度的测量来估计速度及位移。

鉴此，本论文以美国ＡＤＩ公司研制的双轴硅微加速度测量器件ＡＤＸＬ２０２作为主要研究对象，通过它测量运动物体的线加速度，进而运用一定的算法（主要是卡尔曼滤波）滤除噪声并估计出运动物体的速度和位移。

其主要内容有：１．对ＡＤＸＬ２０２的工作原理、一般特性进行详细地论述，对ＡＤＸＬ２０２的应用电路设计及校准进行探讨，并详细地阐述了本课题的实验系统，对ＡＤＸＬ２０２的静态特性和动态特性进行分析和研究；２．介绍一种建立加速度计状态空间模型的方法，并在此基础上，重点阐述标准卡尔曼滤波算法和Ｓａｇｅ＆Ｈｕｓａ自适应卡尔曼滤波算法及其应用，这是本论文重点论述的内容；３．巴特沃思（Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ）数字滤波器的设计和应用，以及滤波后加速度信号的积分运算，以估计出运动平台的速度及位移。

关键词：硅微加速度计，标准卡尔曼滤波器，自适应卡尔曼滤波器，状态估计，巴特浃思滤波器国防科学技术大学研究生院学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔａｎｄＭＥＭＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｃｃｅ］ｅｒａｔｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐ］ｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏ—Ｓｉｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｍｉｃｒｏ—Ｓｉｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒｉｓｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇｔｈｅｔｒｅｎｄｏｆｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎｅｖｅｒｙｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏ—Ｓｉｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒｈａｓｍａｎｙａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｂｕ］ｋ，ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｃｏｓｔ，ｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｅｔｃ．Ｂｕｔ，ｔｈｅｌｏｗｐｒｅｃｉＳｊｏｎｏｆｍｉｃｒｏ—Ｓｉｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄｉｎａ１１ｃｏｕｎｔｒｉｅｓａｔｐｒｅｓｅｎｔｃｏｎｆｉｎｅｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒａｎｇｅｏｆｍｉｃｒｏ—Ｓｉｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒｔｏａｇｒｅａｔｅｘｔｅｎｔ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｍａｎｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｗａｎｔｔｏｅｓｔｉｍａｔｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｂｙｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ．Ｓｏ，ｔｈｉＳｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｃｏｎｓｉｄｅｒｓＡＤＸＬ２０２，ａｋｉｎｄｏｆｄｕａ］一ａｘｉＳａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｍａｄｅｏｆＡＤＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＵＳＡ，ａｓｔｈｅｓｔｕｄｙｏｂｊｅｃｔ，ａｎｄｆｉｌｔｅｒｔｈｅｎｏｉｓｅｕｓｅｓｔｈｅｓｐｅｃｉａｌａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｆｏｒｅｘａｍｐｌｅＫａｌｍａｎＦｉｌｔｅｒｉｎｇ，ｔｏａｄｕ］ｔｅｒａｔｉｎｇｉｎａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｍｅａｓｕｒｅｄｂｙＡＤＸＬ２０２ａｎｄｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｍｏｂｉｌｅ．Ｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｓｕｂｊｅｃｔｓａｒｅｉｎｃｌｕｄｅｄａｓｆｏｌｌｏｗ：１．ＩｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｓａｎｄＣｏＬｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＡＤＸＬ２０２．ＥｘｐａｔＪａｔｉｎｇｏｎｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｆＡＤＸＬ２０２．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｓｕｂｊｅｃｔ．ＡｎａｌｙｓｉｎｇａｎｄｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｌｎｉＣｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＡＤＸＬ２０２ｄｅｅｐｌｙ．２．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇａｍｅｔｈｏｄｏｆｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｔｈｅｓｔａｔｅ—ｓｐａｃｅｍｏｄｅｌｏｆｍｉｃｒｏ＿＿ＳｉａｃｃｅＩｅｒｏｍｅｔｅｒ．Ｂａｓｉｎｇｏｎｉｔ，ｅｘｐａｔｉａｔｉｎｇｏｎｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｏｆｓｔａｎｄａｒｄＫａｌｍａｎＦｉＩｔｅｒｉｎｇａｎｄＳａｇｅ＆ＨｕｓａＡｄａｐｔｉｖｅＫａｌｍａｎＦｉｌｔｅｒｉｎｇ，ａｎｄｏｎｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．。

硅微机械谐振压力传感器技术的发展作者：叶俊来源：《电子技术与软件工程》2017年第06期现阶段，硅微机械谐振压力传感器应该是稳定性最好及精确度最高的传感器，在航空航天及工业等领域内广泛应用。

按照硅微机械谐振压力传感器目前研究成果，对硅微机械谐振压力传感器工作原理进行阐述，分析不同类别硅微机械谐振压力传感器芯体结构，对硅微机械谐振压力传感器未来发展方向进行分析，希望能够增加对硅微机械谐振压力传感器技术的了解。

【关键词】微机械谐振压力传感器谐振器激励检测硅微机械谐振压力传感器是现阶段航空航天领域及这工业控制领域等主要应用的压力传感器，主要对物体压力间接性检测，得出精确检测数据，特别适合远距离传输应用，信息采集与处理更加便捷。

硅微机械谐振压力传感器在运行过程中处于机械谐振状态，所以抗干扰性能较高，精确度较高。

与此同时，与传统压力传感器相比较，设备体积更小、冲击力吸收效果更好等优势。

1 硅微机械谐振压力传感器工作原理按照硅微机械谐振压力传感器芯体结构的差异，可以将硅微机械谐振压力传感器分别两种，分别为谐振器复合结构与谐振器复合结构。

就谐振器复合结构来说，谐振器主要安装在压力敏感膜片表面，同时需要对压力环境进行密封处理。

压力在发生变化之后，压力敏感膜片就会产生变化，谐振器刚度就会发生变化，压力测量上主要利用谐振器频率变化；就谐振器复合结构来说，压力在发生变化情况下，振动膜形状的改变之后，对固有频率变化进行了解之后，能够起到对压力检测的目的。

在对硅微机械谐振压力传感器分析研究过程中，都是在上世纪80年代开始研究，振动膜结构与谐振器结构在制作上十分简单，由于受到同振质量的影响，振动膜结构在压力检测过程中，需要受到自身结构稳定性影响。

伴随着MEMS技术逐渐完善，硅微机械谐振压力传感器已经成为压力传感器研究的主要内容，同时发达国家在对硅微机械谐振压力传感器研究上已经取得了十分显著成果，同时广泛应用。

2 压力敏感膜片与谐振器复合结构2.1 静电激烈与电容检测方式英国研究人员在对硅微机械谐振压力传感器研究过程中，在上世纪80年代就已经研究出了第一台硅微机械谐振压力传感器原型，同时压力敏感薄片在制作上已经应用浓硼进行雕刻，通过静电激烈与电容检测方式。

-22-科学技术创新2019.04硅微谐振加速度计的研究现状分析及发展趋势探讨于亚云(中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，北京100095)摘要:从当前的国际科技发展形势来看，硅微谐振加速度计是一种十分具有潜力的高精度的MEMS惯性仪表。

同时又因为硅微谐振加速度计具有体积相对比较小，而且消耗的功率很低,并且它的准数字输出和精度提升的提升空间大等不同的有点。

结合一段时间内国内外对于硅微谐振加速度计的研究报告，发现硅微谐振加速度计的发展前景在于对其结构改造、工艺改进以及技术测量等不同的方面。

本文将在硅微谐振加速度计工作原理的基础上，对硅微谐振加速度计的发展现状做出分析以及对硅微谐振加速度计的发展前景展开展望。

关键词：硅微谐振加速度计;现状分析;发展趋势展望中图分类号:TB934文献标识码:A从目前的情况来看，大部分的中高精度的加速度计大都采用模拟量输出的原理，其中最为代表的是两类加速度计:摆式积分陀螺加速度计(PIGA)和石英挠性加速度计。

但这两种类型的加速度计具有一定的缺点。

下面我们以摆式积分陀螺加速度计为例子，首先摆式积分陀螺加速度计的体积比较庞大，由于所占的空间过大不利于机器的运行，其次摆式积分陀螺加速度计它的维修费用十分昂贵，且他的制作成本相对比较高。

1硅微谐振加速度计1.1硅微谐振加速度计工作原理。

它的工作原理是:通过检测在外界的加速度的影响下一定质量的的物体对两端固定的音叉(DEFT)分别产生的沿着中轴线方向的惯性力，其中一个音叉因为受到拉力的作用导致其谐振的频率不断增大，而在此同时另一个音叉受到推力的作用使得振动的频率减小，由相关的公式推导可得到，频率的差值与外界物体运动的加速度成之间存在着正比关系，而通过对于频率变化量的测量，也可以求出外界输入加速的大小。

硅微谐振加速度计在工作的过程中，它两侧的谐振梁在静电的激励作用下将会保持恒定振动的状态，当外界有加速度输入时,两狈啲谐振梁会因为受力的缘故其两狈啲频率会同等大小的增大或着减小，而且这种变化可以明显地通过电容检测电路来表示出来，电压信号和驱动力的信号在输入的过程中存在九十度的相位差，同时需要保证在自动增益控制(Automatic Gain Contol,AGC)环节的过程中标尺恒定。

谐振式微加速度计综述学号：22007109 姓名：柯小路摘要：微谐振式加速度计是一种新型的加速度计，由于其独特的优点，己成为微传感器的重要发展方向之一。

本文首先对各种加速度计的优缺点进行了简要比较，然后着重介绍了硅微谐振式加速度计的工作原理、加工工艺、技术指标和几个典型的结构设计实例。

关键词：加速度计、谐振原理、DETF、微杠杆Summary of Resonant Micro-AccelerometerAbstract：Micro-resonant accelerometer is a new kind of accelerometer, and hasbecome an important direction of micro-sensor, due to its unique advantages.In this issue, firstly I make a brief comparison of the advantages and disadvantages of various accelerometers. Then I focus on introducing the processing technology, technical indicators and several typical examples of the silicon micro-resonant accelerometer.Key words: Accelerometer、Resonance、DETF、Micro lever1.引言——加速度计分类信息获取与处理己经成为现代信息技术领域的核心，对社会发展、科技进步起着重要的作用。

传感器作为信息获取与处理系统的最前端部件，直接面向被测对象，并将获取到的参数转换为电信号，是现代信息技术的重要基础。

传感器技术是一门学科跨度大的技术，是测量技术、信息处理技术、计算机技术、半导体技术、微电子学、光学、声学、仿生学、材料学、精密机械等众多学科相互交叉的综合性学科。

硅微谐振式加速度计温度自补偿方法研究作者：刘泽畅熊兴崟蔡朋成邹旭东来源：《科技创新导报》2021年第21期摘要：硅微谐振式加速度计具有低功耗、高灵敏度等优点，在导航、测控等领域有着广泛应用。

温度误差会导致输出频率产生漂移，从而影响硅微谐振式加速度计的精度。

本文基于硅微谐振式加速度计的特点，提出了一种硅微谐振式加速度计温度自补偿实现方法，通过研究加速度计的工作原理，对加速度计输出频率建立二元函数模型，利用反拟合法反解出实际的加速度值。

设计基于FPGA的硬件实现方案，实现温度自补偿方法，达到对硅微谐振式加速度计进行实时温度补偿的目的。

关键词：MEMS 加速度计温度补偿 FPGAStudy on Temperature Self-Compensation Method of Silicon Resonant AccelerometerLIU Zechang1，2 XIONG Xingyin1 CAI Pengcheng1 ZOU Xudong1*（1.Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences， Beijing，100190 China;2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100049 China）Abstract： Silicon resonant accelerometer has the advantages of low power consumption and high sensitivity. It is widely used in navigation， measurement and control and other fields.Temperature error will cause the output frequency to drift， which will affect the accuracy of silicon micro resonant accelerometer. In this paper， a temperature self-compensation implementation method of silicon resonant accelerometer is proposed based on its characteristic. By studying the working principle of the accelerometer， a binary function model is established for the output frequency of the accelerometer， and the actual acceleration value is solved by using the reverse fitting method. The hardware implementation scheme based on FPGA is designed to realize the temperature self-compensation method and achieve the purpose of real-time temperature compensation for the silicon -resonant accelerometer.Key Words： MEMS; Accelerometer; Temperature compensation; FPGA硅微谐振式加速度计是一种惯性传感器，它的原理是根据测量得到的谐振频率输出信号，求得相应的加速度，主要具备灵敏度高、易集成和低功耗等优点。

8传感器与微系统(Tmns U ucer and Micro s ystem Technomgie r[2021年第40卷第5期DOI：10.J3873/J.100-9787(2021)05-0008-04硅微谐振式加速度计温漂补偿研究张含1,2,丁徐错12,李宏生V(1.东南大学仪器科学与工程学院，江苏南京210096；2.东南大学微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室，江苏南京210096)摘要：硅微谐振式加速度计的输出信号是由谐振频率反映的,谐振频率的特性决定了仪表的精度。

但加速度计的谐振频率具有温敏特性，当温度变化时,便会产生测量误差。

为了减小这一影响，结合加速度计的外围控制系统，在分析加速度计谐振频率、控制电压随温度变化规律的基础上,设计加速度计零偏的补偿方法。

利用数据拟合，建立加速度计谐振偏移频率与控制电压的模型，基于模型完成加速度计零偏的温度补偿工作。

针对该方法的有效性，进行了全温实验验证,结果表明:应用该补偿方法，在-20~30t之间,相较于补偿前的加速度计零偏漂移减小了66.5%o关键词：频率温度特性;控制电压;品质因数;温度补偿中图分类号：TP21/文献标识码：A文章编号：100-9787(2021)05-048-04Study on temperature drift compensstion on siliconmicro resonani accelerrmeterZHANG Hnn1^2,DICG Xukal1,,LI Hopgsheng1^2(1.School of Instrameni Science and Engioeering,SoutUeesi University,Nanjing21096,China;2.Key Laboratory of Micro-inertiai1肌1011116就and Advanced Navioation Technology of MinisUy of Educotion,SoutUersi University,Nanjing210096,China)AbstrocU:Output sianai of silicoo micm-msopant accelerometes is mflectel by m r coant fmqpench,whichdetermines pmcisioo of instrumeet.But110X8/fmqpench of accelerometes has temperature-seesitivecharacteristic.When temperature changes,measumment will occus. To reluce this in/uence,peripheraicoxtroi system of the accelerometes is apalyzel.On the basis of apalyzing ox law that the msoxant fmquench andcoxtroi vaVape of the accelerometes vary with temperature:the compensatiox methoP of zero bias for accelerometesis desivnel.The moPei for sesoxant offset frequency and coxtroi voVape of accelerometes is estaPVshel by datafitting,and the temperature compensatiox of deviatiox of accelerometes is accompfshel basel ox the moPei.Full­temperature experiments are carkel out to verify the raliditu of this methoP.The results show thas between thetemperature range of—20~301,the zero bias drift of accelerometes is relucel by66.5%comparel with thas ofthe accelerometes before compensatiox.Keywords：frequency temperature charactekshc；coxtroi vvltage;quaPtu factor;temperature compensatiox0引言硅微谐振式加速度计是基于微机械加工工艺的一种微机电系统(micro-electre-mechapincai system,ME M S)惯性器件，是近年来微传感器研究的热点之一。

高精度硅微谐振加速度计工程化设计与实现王岩;赵克;张玲;邢朝洋【摘要】硅微谐振加速度计因具有小体积优势和高精度潜力,成为硅微惯性传感器研制的热点之一.工程化设计是硅微谐振加速度计从原理样机向成熟产品转化过程中的关键步骤之一.在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从工程实用化设计角度出发,提出了一种高精度硅微谐振加速度计工程化设计方法.分别从系统设计、结构设计、控制电路设计和测试与补偿技术等方面进行了分析和对比,讨论了误差来源与改进方法.测试表明,设计的高精度硅微谐振加速度计质量块基频大于3 kHz,谐振音叉中心频率约18kHz,标度因数大于100Hz/g,量程±40g,死区小于0.67mg,带宽大于200 Hz,振动整流误差0.344 mg,零位一次通电稳定性优于50μg,测试结果基本满足工程化应用指标.【期刊名称】《中国惯性技术学报》【年(卷),期】2016(024)002【总页数】6页(P229-234)【关键词】硅微谐振加速度计;工程化;设计;实现【作者】王岩;赵克;张玲;邢朝洋【作者单位】北京航天控制仪器研究所,北京100039;北京航天控制仪器研究所,北京100039;北京航天控制仪器研究所,北京100039;北京航天控制仪器研究所,北京100039【正文语种】中文【中图分类】U666.1谐振式硅微加速度计以其力敏感工作机理、高精度频率信号输出的理论优势，和采用半导体批量工艺加工的小体积与低成本潜力，逐渐成为硅微惯性器件的研制热点之一。

国内外各主要惯性器件研制机构相继开展研制跟踪，并均取得较大进展[1-7]。

国外以美国Honeywell公司SA500型硅微谐振加速度计为代表已经拥有工程实用化产品，国内从本世纪初开始研制，经过十余年发展已获得较高精度原理样机，目前处于原理样机到工程样机的转化阶段。

相对于原理样机着重于理论验证和高精度潜力探索而言，工程样机更注重产品在实际使用过程中的精度变化情况，力求在满足产品功能正常的基础上再保证一定的性能水平。