MEMSCAD高量程加速度传感器的设计与仿真
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MEMS加速度计的原理及运用(精编文档).doc
【最新整理，下载后即可编辑】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。
一种高精度微硅加速度计的模态分析与模拟验证
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式中 1 为材料的杨氏模量 ! 则 ’ 轿式 ( 结构的 向刚度 ". 向刚度分别为 )
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微电子学与计算机
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态振动对电容输出结果 的 影 响 ! 只 要 增 大 & , ’ 和
A!B 章岩申 等 8 微型惯性仪器的展望 8 现代科学仪器 5 6::<J A#B 许国祯 8 硅微结构惯性传感器的研制现状及应用前景 8 中
国惯性技术学报 5 6::<5 9+6,8
* , + 即可 ! 与其它参数无关 $ ! 如果既要拉大第一模态与第二 # 三模态的频
比 $ 与质量块质量的 - 4 ! 次方成反比 %
& 第二模态的谐振频率与尺寸的数学关系较
为复杂 $ 它是由 ."&.’&) &3 &4 综合确定的 # 由式.#) &.$) &.3)联立可导出 ’
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态振动对电容输出结果 的 影 响 ! 只 要 增 大 & , ’ 和
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SiC高温高量程MEMS加速度传感器的仿真与分析
SiC高温高量程MEMS加速度传感器的仿真与分析陈艳香;石云波;智丹;杨志才;冯恒振【摘要】Properties of material greatly influence the performance parameters of accelerators. As a new type of semiconductor materials,SiC has excellent mechanical properties and temperature characteristic,being applicable to high-temperature and high-g accelerator. This paper put forward a design scheme for high-temperature and high-g accelerator based on SiC. The structure and size of accelerator were designed by referring to mechanics theory knowledge of cantilever beam,and characteristics of sensitive structure were analyzed by Modalanalysis,statics analysis and thermal analysis on ANSYS. Simulation results show that SiC performs better than Si in high temperature and high overload conditions,which provides reliable theory basis for the research of high-temperature and high-g accelerometer.%加速度传感器材料的特性对传感器的性能影响很大,SiC作为新一代半导体材料具有优良的力学温度特性,适用于高温、高过载加速度传感器.基于SiC提出了一种可用于高温、高过载环境的加速度传感器设计方案.根据悬臂梁的相关力学理论知识,对传感器结构、尺寸进行了设计,并利用ANSYS有限元仿真软件对SiC材料传感器敏感结构进行模态分析、静力学分析、热分析.仿真结果表明,6H-SiC材料表现出了比Si材料更优异的抗高温、抗过载特性,为应用于高量程、高温环境下的加速度传感器研究提供了可靠的理论基础.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2015(028)010【总页数】5页(P1471-1475)【关键词】高量程加速度计;SiC;高温;抗过载;Ansys【作者】陈艳香;石云波;智丹;杨志才;冯恒振【作者单位】中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051【正文语种】中文【中图分类】TP212高量程MEMS加速度计目前主要应用于军事和航空航天领域，随着近年来侵彻武器的发展和对爆炸冲击作用研究的深入，对高量程加速度计的量程、可靠性等方面提出了更高的要求。
基于MEMS加速度微传感器制作工艺及测试
（２）硅晶片制作传感器的硼硅膜，同时又制作 质量块。先在硅片的两面氧化出 ５—６ /ｍ 的氧化 层，利用 Ｃａｒｓｕｓｓ 光刻机双面光刻相应的图形，该 图形是为了得到质量块而设计的削角补偿图，为 了得到 ４００ 0ｍ×４００ 1ｍ×３００ 2ｍ 的质量块，需补 偿 ８００ 3ｍ×８００ 4ｍ×３００ 5ｍ 的质量块，如图 ２（ｂ） 俯视图所示。然后在 ＴＭＡＨ（四甲基氢氧化氨水） 溶液里，水浴 ９０ ! ，腐蚀 １ ｍｉｎ 左右，就可得到 ０．２ 6ｍ 的沟槽的形状。扩散源选用固态硼源，在 １１２５ ! 下大约扩散 １２０ ｍｉｎ，结深约为 ２ 7ｍ，硼扩后硅 晶 片 的 薄 层 电 阻 约 为 １．５ 8／ □ 。 并 用 ＢＨＦ 液 （ＮＨ４Ｆ：ＨＦ：ＤＩ ＝ ３４．６％：６．８％：５８．６％）除去硅片硼扩 面的硼硅玻璃，而另一面用 ＢＰ－２１２ 光刻胶保护其 氧化层。有氧化层面再次套刻，把图形外的氧化层 用 ＢＨＦ 液腐蚀掉。
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＭＥＭＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ；ｔｅｓｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ
０ 引言
随着微机电系统（ＭＥＭＳ）的发展，各种基于 ＭＥＭＳ 技术的器件应运而生，如压力传感器、加速 度传感器、光开关等。它们体积小，质量轻，成本 低，功耗低，可靠性强，易于智能化、数字化等优点 得到广泛应用。加速度传感器是微传感器中发展 较早的一种，目前研究比较成熟的有硅微电容式、 硅微热电耦式、硅微谐振式等加速度传感器，国外 已出现了光波导加速度传感器［１］。本文研究的硅微 电容式微加速度传感器是在硅微电容式压力传感 器［２］的基础上设计出来的，工艺条件成熟、工艺过
更加抽象，更多地使用了形式化、符号化的语言而 且课堂的知识点较多容量大，不大可能在讲授概 念之后列举同类型的大量例题让学生模仿练习。 因此在学生数学基础比较差的情况下，很有必要 对学生进行学法指导。定期开设一些讲座，指导学 生预习、复习、听课、记笔记、阶段性小结、解题后 反思和回顾等，并提出具体的要求。同时制定较为
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＭＥＭＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ；ｔｅｓｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ
０ 引言
随着微机电系统（ＭＥＭＳ）的发展，各种基于 ＭＥＭＳ 技术的器件应运而生，如压力传感器、加速 度传感器、光开关等。它们体积小，质量轻，成本 低，功耗低，可靠性强，易于智能化、数字化等优点 得到广泛应用。加速度传感器是微传感器中发展 较早的一种，目前研究比较成熟的有硅微电容式、 硅微热电耦式、硅微谐振式等加速度传感器，国外 已出现了光波导加速度传感器［１］。本文研究的硅微 电容式微加速度传感器是在硅微电容式压力传感 器［２］的基础上设计出来的，工艺条件成熟、工艺过
更加抽象，更多地使用了形式化、符号化的语言而 且课堂的知识点较多容量大，不大可能在讲授概 念之后列举同类型的大量例题让学生模仿练习。 因此在学生数学基础比较差的情况下，很有必要 对学生进行学法指导。定期开设一些讲座，指导学 生预习、复习、听课、记笔记、阶段性小结、解题后 反思和回顾等，并提出具体的要求。同时制定较为
高精度电容式MEMS加速度计系统设计
高精度电容式MEMS加速度计系统设计李宗伟;杨燕;熊兴崟;丛宁;辛维;韩可都【摘要】A low precision,high speed analog digital converter(ADC) is embedded on the basis of traditional Σ-Δ architecture,to simplify analog interface circuit design of capacitive MEMS accelerometer system.ADC is used to convert analog voltage signal of analog front end amplifier output to digital signal.Based on capacitive MEMS accelerometer system embedded with an ADC,an over sampling average digital algorithm is used to evaluate the signal,which can effectively reduce the system requirement of the noise performance of front end amplifier.This method provides potential to achieve low power consumption and high precision design.Simulation results show that SNR of accelerometer presented is improved about 10 dB than that of system without using over sampling average technique.%在传统Σ-Δ架构基础上,引入了低精度高速模/数转换器(ADC),将前置放大器输出的模拟电压信号转换为数字信号,有利于简化电容式微电子机械系统(MEMS)加速度计系统模拟接口电路设计.在嵌入ADC的MEMS加速度系统中,采用过采样平均数字算法对信号进行估计,有效降低系统对前置放大器噪声性能的需求,利于实现低功耗和高精度的设计目标.仿真结果表明:与未采用过采样平均技术相比,当前置放大器输出等效噪声大于1μV/Hz时,系统的信噪比(SNR)提高了约10dB.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2017(036)006【总页数】5页(P98-101,104)【关键词】微电子机械系统;Σ-Δ;模/数转换器;数字环路滤波器;过采样平均【作者】李宗伟;杨燕;熊兴崟;丛宁;辛维;韩可都【作者单位】中国科学院地质与地球物理研究所,中国科学院油气资源研究重点实验室,北京 100029;中国科学院地质与地球物理研究所,中国科学院油气资源研究重点实验室,北京 100029;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院地质与地球物理研究所,中国科学院油气资源研究重点实验室,北京 100029;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院地质与地球物理研究所,中国科学院油气资源研究重点实验室,北京 100029;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院地质与地球物理研究所,中国科学院油气资源研究重点实验室,北京 100029;中国科学院地质与地球物理研究所,中国科学院油气资源研究重点实验室,北京 100029【正文语种】中文【中图分类】TP212;TN432微电子机械系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)加速度计具有微小型化，低功耗，高精度等优势，在惯性导航，消费电子以及石油勘探等领域[1～4]得到了广泛的应用。
一种MEMS加速度计仿真
一种MEMS加速度计仿真作者：曹延磊来源：《工业设计》2015年第12期摘要：针对采用Post CMOS工艺设计的MEMS 加速度计的结构进行仿真计算，最终得到：MEMS加速度计的质量块质量大小为2.53ug，感应方向的弹簧系统的弹性常数为2.1N/m，敏感方向上的自然谐振频率4600Hz，等效加速速度布朗噪声值58，机械灵敏度3.46fF/G。
在200mv交流电压供给下，加速度计的电压输出灵敏度达到1.67mV/G。
关键词：MEMS；加速度计；仿真1 MEMS加速度计的仿真1.1 质量块可移动部分主要有质量块和可移动电极构成。
仿真得到质量数据m= 2.53ug。
1.2 弹簧系统弹性常数加速度计的弹性常数影响了加速度计的多数性能指标，在进行模态分析之前先对弹簧系统的弹性常数进行模拟。
边界条件不同的仿真软件有不同的设定方式，例如可以指定特定方向的加速度，或者指定域的力密度。
表1 弹性常数仿真文献中指出典型的商用集成加速度计的普遍指标是：m=1μg，k=2N/m， fr=7.1kHz。
当外界加速度为1G时，检测质量块有4.9纳米的位移。
为了达到1mg的检测分辨率必须检测质量块0.0049nm的位移。
本文的加速度计m=2.53μg，k=2.1N/m。
当外界加速度为1G时，检测质量块有12.纳米的位移。
为了达到1mG的检测分辨率，检测质量块有0.012nm的位移。
因此从静态仿真的结果来看，本例的加速度计基本满足要求。
在结构设计时，为了保留设计余量的值为0.97μm。
如果在感应方向上形成0.97μm的位移。
根据（1）外界需要提供的加速度为805m/s²。
由静态加速度估算的量程为±80G，由于感应电极被氧化层包围的特殊结构，加速度计不用引入防止可移动电极和固定电极粘附的限位器。
1.3 阻尼系数加速度计应该工作在合适的阻尼状态，从而可以使加速度计的响应状态确定。
如果系统是欠阻尼的（例如，真空封装时），加速度计要经过较长时间达到稳定输出。
第4章MEMS CAD辅助分析和设计_修改1
第4章MEMS CAD辅助分析设计MEMS技术涉及力学、流体力学、热学、电学和电磁学等多学科交叉问题，MEMS器件作为新型器件，其设计已不再是传统意义上的设计，而是包含了新工作机理的探索和新器件结构的开发。
MEMS器件的设计需要综合多学科进行理论分析，这大大增加了设计参数选择的难度，常规的分析计算方法已无法应付设计需求。
所幸的是当今计算机技术的进步使得CAD技术在器件设计中得到广泛的应用，二维和三维计算机绘图技术的发展使我们能够对复杂的MEMS结构及版图进行计算机设计。
有限元技术的应用使得人们可以用精确的计算机数值求解方法来分析和预测器件的性能，对器件工作的静态、准静态和动态模拟成为可能，从而能够对MEMS器件结构和工艺进行计算机模拟和设计优化。
国外在20世纪90年代初就研究出了用于硅压力传感器设计的MEMSCAD软件(CAEMEMS)。
在MEMS的工艺模拟、器件的建模、仿真分析以及设计优化方面，90年代中期IntelliSense公司和Microcosm Technologies公司已开始提供商业专业软件IntelliSuite和MEMCAD，可用于三维MEMS的工艺和器件模拟及设计优化。
其中Microcosm开发的MEMS 计算机辅助设计分析集成工具MEMCAD现已发展到4.5版本。
Illinois大学开发的ACES软件可用于硅湿法腐蚀、砷化嫁湿法腐蚀和RIE腐蚀工艺的模拟。
应用ACES可根据设计的版图和刻蚀条件得出腐蚀后的三维MEMS结构，ACES beta1和beta2还作为免费软件在国际互连网上提供下载。
除了专业软件外，许多有限元分析软件已用于MEMS器件的建模、分析和模拟，其中ANSYS作为大型有限元分析软件在MEMS器件的设计和模拟方面的成功应用，已得到MEMS设计者的青睐。
ANSYS软件包包含了力、热、声、流体、电、电磁等分析模块,其耦合场分析部分还包含了MEMS器件常用的压电分析。
新型MEMS加速度计的设计与测试
新型MEMS加速度计的设计与测试关键信息项：1、新型 MEMS 加速度计的设计规格与要求测量范围：＿___________________分辨率：＿___________________灵敏度：＿___________________工作温度范围：＿___________________尺寸与重量限制：＿___________________2、设计与测试的时间节点设计完成时间：＿___________________初步测试时间：＿___________________优化改进时间：＿___________________最终测试与验收时间：＿___________________3、设计与测试的责任与义务设计团队的职责：＿___________________测试团队的职责：＿___________________双方的沟通与协作机制：＿___________________4、知识产权归属设计过程中产生的知识产权归属：＿___________________相关专利申请与权益分配：＿___________________5、费用与支付方式设计与测试的总费用：＿___________________阶段性支付的金额与时间：＿___________________费用调整的条件与机制：＿___________________11 引言本协议旨在规范新型 MEMS 加速度计的设计与测试相关事宜，确保项目的顺利进行和各方权益的保障。
111 背景随着科技的不断发展，MEMS 加速度计在众多领域的应用日益广泛。
为满足市场对高性能、高精度 MEMS 加速度计的需求，特开展本次新型 MEMS 加速度计的设计与测试项目。
12 项目范围本项目涵盖新型 MEMS 加速度计的从概念设计到最终测试的全过程。
121 设计阶段包括但不限于结构设计、材料选择、电路设计等。
122 测试阶段包含初步性能测试、可靠性测试、环境适应性测试等。
Chapter 2-3 MEMS的CAD与仿真
用公式表示 问题
定义准则
探究解答
评价 选择
实施
（2）产品综合：当设计产品集中于应用系统理论,以 及在设计工作中必须处理制造产品问题的过程,这种 起始点是明确所需要的功能和所处理的技术资料,产 品综合工作流程如图2.2所示.
总体形状 主功能 子功能 和手段 原理化 结构 量化结构 单元形状 材料 维度 表面质量
执行器 作功
传感器 五官
计算机 头脑
执行器 手足
机械 结构
机械 骨骼
从机械电子学的概念和设计方法发展到MEMS的设 计，系统设计的基本思路是一致的.当前,有5种设计思 路。 J.Kawakita法，M.NaKayama法， Key-Needs法，Kepner-Tregoe法，Z.G..ZhuM..Kajitani 法。M..Kajitani法. 2.1.1．J.Kawakita法 J.Kawakita法简称K.J法.K.J法是由底向上处理大量数 据之间关系的一种假设。 K．J法思路步骤： （1）标签制作：（2）标签归类 （3）范围制作： （4）说明：
1
2
m
2.2 接口设计 在MEMS产品中，接口设计是十分重要的，一般接口 分为硬接口和软接口，还应考虑微观与宏观接口设计。 2.2.1 硬接口 以硬件形式完成子系统，功能模块之间的物质，信息， 能量的输入与输出的变换，传输。按其作用可分为零接口， 主动接口，被动接口，智能接口。 2.2.2软接口 应用软件实现接口功能。
（1）需求与根源
基本原因 （内部的）
（2）需要的水准 （3）关键需要法 的思考—处理模式
原因 为什么？ 原因
理 论 性 考 虑
现象
识别 （外部的） 研究对象如何？ 我们应该做什么？ 发现问题
定义准则
探究解答
评价 选择
实施
（2）产品综合：当设计产品集中于应用系统理论,以 及在设计工作中必须处理制造产品问题的过程,这种 起始点是明确所需要的功能和所处理的技术资料,产 品综合工作流程如图2.2所示.
总体形状 主功能 子功能 和手段 原理化 结构 量化结构 单元形状 材料 维度 表面质量
执行器 作功
传感器 五官
计算机 头脑
执行器 手足
机械 结构
机械 骨骼
从机械电子学的概念和设计方法发展到MEMS的设 计，系统设计的基本思路是一致的.当前,有5种设计思 路。 J.Kawakita法，M.NaKayama法， Key-Needs法，Kepner-Tregoe法，Z.G..ZhuM..Kajitani 法。M..Kajitani法. 2.1.1．J.Kawakita法 J.Kawakita法简称K.J法.K.J法是由底向上处理大量数 据之间关系的一种假设。 K．J法思路步骤： （1）标签制作：（2）标签归类 （3）范围制作： （4）说明：
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2.2 接口设计 在MEMS产品中，接口设计是十分重要的，一般接口 分为硬接口和软接口，还应考虑微观与宏观接口设计。 2.2.1 硬接口 以硬件形式完成子系统，功能模块之间的物质，信息， 能量的输入与输出的变换，传输。按其作用可分为零接口， 主动接口，被动接口，智能接口。 2.2.2软接口 应用软件实现接口功能。
（1）需求与根源
基本原因 （内部的）
（2）需要的水准 （3）关键需要法 的思考—处理模式
原因 为什么？ 原因
理 论 性 考 虑
现象
识别 （外部的） 研究对象如何？ 我们应该做什么？ 发现问题
MEMS高量程微加速度计温度补偿的设计
MEMS高量程微加速度计温度补偿的设计李文燕;郭涛;徐香菊【摘要】目前基于压阻式MEMS加速度计的测量精度还不是很高,为了提高其精度,文中采用TI公司新一代的数字信号处理器TMS320F2812实时操作系统,通过对复合量程微加速度计的特性分析,找出加速度计温度漂移的变化规律;采取温度补偿措施消除温度变化带来的测量误差;系统依据数字温度传感器DS18B20提供温度参数,采用最小二乘法的软件算法对测量数据进行补偿处理;该系统处理时间短,可以满足其使用要求,算法简单有效,可以显著提高测量精度;实用表明使用高速DSP 器件并采用有效的信号处理方法可以显著地改善MEMS加速度计的性能.%At present, MEMS-based on piezoresistive accelerometer measurement accuracy is not very high, in order to improve its accuracy, in this paper utilizes a new digital signal processor TMS320F2812 real - time operating system of TI's, through the composite scale analysis of the characteristics of micro-accelerometers?to find out the changes of temperature drift of accelerometer. Temperature compensation will takes measures to eliminate measurement errors caused by temperature changes. The system is based on temperature parameters what digital temperature sensorDS18B20 provides, using the least squares method of software algorithms to compensate for measurement data processing. The system handles with a short time, to meet its requirements, the algorithm is simple and effective, can significantly improve the measurement accuracy; practical devices that use high-speed DSP and the use of effective signal processingmethod can significantly improve the performance of MEMS accelerometers.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2012(020)010【总页数】3页(P2857-2859)【关键词】信号采集;温度补偿;数据处理【作者】李文燕;郭涛;徐香菊【作者单位】中北大学电子科学与技术系仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子科学与技术系仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子科学与技术系仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051【正文语种】中文【中图分类】TB9340 引言近年来，基于 MEMS（Micro－electromechanical System，微机电系统）技术的微惯性传感器研究与发展受到了广泛的重视。