复合量程微加速度计的设计

复合量程MEMS加速度计抗高过载的优化设计徐香菊;朱杰;郭涛;李文燕【摘要】在航空航天及武器系统中,传感器承受很大的冲击,这就要求传感器具有很高的抗高过载能力.文中在原有基础上对复合量程微加速度计中的高低量程模块进行抗高过载设计的优化.试验测得优化后的结构能够抗20000g,能够有效地满足高过载高冲击环境的要求.【期刊名称】《弹箭与制导学报》【年(卷),期】2012(032)005【总页数】3页(P149-151)【关键词】抗高过载;复合量程加速度计;ANSYS【作者】徐香菊;朱杰;郭涛;李文燕【作者单位】中北大学电子测试国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试国家重点实验室,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】TP212.60 引言随着社会的发展，传感器阵列的需求越来越高。

在航空航天及武器系统中，加速度范围广，且要求传感器向着多功能、小型轻量方向发展[1]。

传感器阵列不仅要满足灵敏度、线性度等要求，还要求能抗高过载。

复合量程加速度计利用MEMS工艺制造，覆盖高低量程、低功耗、模块化、通用化、体积小和结构强度高等特点。

而低量程传感器模块能否抗高过载环境，对复合量程微加速度计性能十分重要[2]。

在抗冲击试验中，低量程模块比高量程更容易损坏。

这说明加速度计的抗高过载能力还需进一步优化。

1 理论文中低量程加速度计的量程为10g，高量程为10000g。

因结构类似，下面以低量程结构为例进行介绍。

低量程结构经过分析选用双端四梁结构。

在4根梁上分布8个电阻组成惠斯通电桥。

当加速度计受到Z方向的加速度时质量块上下震动，分布在梁上的电阻由于压阻效用会发生变化，电桥有电压输出。

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。

MEMS加速度计的原理及运用目录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。

加速度计标定过程一、为避免多次安装引入误差，对加速度计只进行一次安装，将惯性组件的坐标系XYZ对应安装到转台零位上，使惯性组件X轴与分度头x轴平行，Y与y平行，Z与z轴平行。

利用十二位置法对加速度进行标定，每个位置采样时间1分钟。

二、数据处理1、采用以下误差项模型其中，Ax,Ay,Az为参考加速度值，Na=[Nax.Nay,Naz]’为三敏感轴输出加速度值。

Da=[Dax,Day,Daz]’为敏感轴的零位误差，Kax,Kay,Kaz为刻度因数。

Eaxy,Eaxz,Eayx,Eayz,Eazx,Eazy为误差耦合因数。

2、在12个不同位置测量，各个位置比力表如下(单位:g)。

根据比力表可得到12组参考加速度值Ax,Ay,Az。

3、 每个位置上采样1分钟，并对每个位置所得数据取平均值，获得一组Nax.Nay,Naz ，共有12组数。

根据以上误差项模型，利用最小二乘法得最后有效系数Kax,Kay,Kaz,Eaxy,Eaxz,Eayx,Eayz,Eazx,Eazy,Dax,Day,Daz 。

三、实验结果利用MATLAB 编写最小二乘法程序，最后得到误差项模型数据如下。

a 1.00040.01200.00660.0016=0.0135 1.00100.00210.00250.00310.0008 1.01210.0534Kxx Exy Exz D x Eyx Kyy Eyz Day EzxEzy Kzz Daz -⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥---⎣⎦⎣⎦ 根据以下误差模型，利用实际测量的值Nax,Nay,Naz,便可得到实际值Aax,Aay,Aaz 。

-1a ax 0.99950.0120-0.0065a 0.0*-=-0.01350.9988-0.0020-0.00310.00080.9880Aax Kxx Exy Exz N x D N x Aay Eyx Kyy Eyz Nay Day Nay Aaz Ezx Ezy Kzz Naz Daz Naz ⎛⎫⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤ ⎪⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥= ⎪⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥ ⎪⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎝⎭0200.0025-0.0528⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦。

第５期毛海央，熊继军等：复合量程微加速度计中阻尼的分析与设计２１８７１复合量程微加速度计的结构设计及其损伤机理１．１复合量程微加速度计的结构设计本文昕岗十的复合量程压阻式微加速度计中各传感器均采用双端四梁结构．即在四根梁上沿着梁长度方向分布八个压敏电阻构成惠斯通电桥，如图１所示．图３复合量程微加速度计实物图当结构受到敏感方向加速度作用时，质量块上下振动，在四根梁上产生应变，使得梁根部和端部有最大应力分布，且根部和端部的应力值关于梁的中心位置近似对称相等．在应力作用下八个压敏电阻阻值发生变化，近似有（加工该结构采用Ｎ型（１００）硅片）图１双边四梁结构和惠斯通电桥连接图堡Ｒ一扣（ａｌ一仉）（１）其中，弛为剪切压阻系数分量，其值为１３８．１×１０＿ｎｍ２／Ｎ；矾为纵向应力，仉为横向应力，单位为ＭＰａ．压敏电阻的变化使原本平衡的电桥有输出电压Ｕｏ一等ｕ瓜图４１０００ｇｎ量程的结构照片２００００ｇｎ的动态载荷，对该传感器结构进行了马歇特捶击试验，经过捶击试验的微加速度计用光学显微镜或拉曼光谱仪观察，可以直接检测其是否被破坏．试验发现，当马歇特锤的冲击加速度载荷高于１００００ｇ。

时，结构就会被破坏．如图５所示分别为四种量程的微加速度计在１００００ｇ。

冲击加速度载荷作用后梁发生断裂的照片．（２）（ａ）ｌｏ％量程微加速度计的（ｂ）５００９。

量程微±Ｉ｜ｉｉ速度再酌粱发生断裂的照片梁发生断裂的照片其中，砜为电桥输出电压，Ｕ为传感器的输入电压．所设计的复合量程微加速度计总体结构如图２所示，其中四个传感器的量程各不相同，分别为１００ｇ。

５００ｇ。

ｌ０００ｇ。

和２０００ｇ。

．设计仿真时，该复合量程微加速度计能承受２００００ｇ。

的动态冲击载荷作用．图２复合量程微加速度计结构示意图１．２复合量程微加速度计的损伤机理分析经北京大学微电子研究所加工的复合量程微加速度计如图３和图４所示．其中，图４为１０００ｇ。

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。

SOI微加速度计的制备工艺研究姓名：望金山班级：机卓1101班学号：电话：Email：华中科技大学摘要MEMS 技术是极具发展潜力的技术之一，是当前十分活跃的研究领域。

MEMS 技术广泛应用于诸多领域，包括国防、汽车工业和生物医学等。

微加速度计是MEMS 技术应用的一个重要领域，MEMS 技术的最初成功和商业化的产品就是微加速度计。

目前微加速度计凭借其体积小、重量轻、功耗低和高灵敏度等优点已成为惯性导航领域的关键部件。

SOI 材料的出现更是让微加速度计的研究有了新的方向和重点，SOI 微加速度计已经成为新的研究热点。

SOI ( silicon-on-insulator)材料具有耐高温、低压、低功耗方面的优势,可以使加工的MEMS 硅传感器大幅提高对恶劣测量环境的适应能能力,拓展MEMS 硅传感器的应用范围。

本文结合《微细加工与纳米技术》课程的项目设计要求和个人的兴趣，对SOI微加速度计的制备工艺进行了初步的研究。

由于个人知识水平所限以及缺乏具体的实验条件，本课题的研究方法主要采用的是文献研究法。

本文从研究SOI 微加速度计的制备工艺出发，通过调查文献来获得资料，从而全面地、正确地了解掌握所要研究的问题。

文献研究法被子广泛用于各种学科研究中。

其作用有：①能了解有关问题的历史和现状，帮助确定研究课题。

②能形成关于研究对象的一般印象，有助于观察和访问。

③能得到现实资料的比较资料。

④有助于了解事物的全貌。

本文的涉及的文献主要来自中国（CNKI）学术文献总库，部分来自百度百科等网络资源。

关键词：MEMS 技术 SOI 微加速度计制备工艺1概述微加速度计是微惯性测量组合（包括微加速度计和微陀螺仪）的关键部件，在许多相关领域都有着广阔的发展和应用前景。

特别是基于 SOI(绝缘衬底上的硅，Silicon on insulator)的微加速度计已成为目前研究和分析的热点，采用SOI技术的微加速度计不但具有较好的硅机械特性，而且使 CMOS（互补金属氧化物半导体，Complementary Metal Oxide Semiconductor）工艺与 MEMS 加工工艺能够兼容，为加速度计表头与 CMOS 单片集成提供了可能，实现了惯性器件微型化、可集成化、易批量生产等优点。

复合量程微加速度计封装的设计仿真与测试闫明明;鲍爱达;郭涛【摘要】针对复合量程微加速度计的封装设计与测试的理论、仿真分析和具体试验测试三个方面进行了详细论述,最终确定出最佳的封装方案.理论分析主要通过对几种典型MEMS封装类型特点的比较,确定了最优的封装类型为陶瓷封装.仿真分析主要通过ANSYS软件进行复合量程加速度计热应力仿真,确定了复合量程加速度计的陶瓷封装管壳的厚度.通过静态特性测试及动态特性测试等进一步验证了该封装结构具有抗过载能力.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2013(013)034【总页数】5页(P10150-10154)【关键词】复合量程微加速度计;MEMS;封装;ANSYS;仿真【作者】闫明明;鲍爱达;郭涛【作者单位】中北大学电子测试技术国家重点实验室,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,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,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】TH824.3;TP212经过多年的发展，MEMS器件与传感器集成技术已相当成熟，部分产品已实现批量生产。

MEMS器件的封装也更加被重视起来。

何种封装，如何封装能够使加速度计各种性能达到最优成为研究加速度封装的关键。

这就意味着，如果不及时开发出较好的封装方法，封装造成的误差会成为制约MEMS发展的重要因素之一［1］。

同样，复合量程微加速度计能否顺利完成对覆盖高低量程的加速度信号的测试工作，关键不仅在于加速度计敏感单元设计的合理性更在于封装设计的合理性与可行性。

在前人已经设计好复合量程微加速度计敏感单元结构［2］的基础上，本文主要在封装材料管壳与贴片胶的参数确定方面进行热应力的仿真，并对封装好的加速度计进行静态与动态特性测试。

1 复合量程微加速度计的封装结构利用贴片胶把加速度计芯片粘接在管壳的基座上，应用金丝球焊机键合完成内部互连，最后封帽使依靠平行封焊技术进行封帽，并在腔内充99%氮气，保证其阻尼比符合设计要求。

微加速度测量系统设计论文本系统选用石英挠性加速度计作为加速度测量传感器。

国内常用的惯性级石英挠性加速度计不能直接满足要求，为实现高精度加速度测量，需要对加速度计实行误差分析与补偿。

石英挠性加速度计的测量误差主要来自2个方面：一方面是加速度计自身结构的不完善，比如：质量不平衡、结构的弹性变形、不等弹性等;另一方面，一些物理因素的影响，如变化的温度场、仪表内部的杂散磁场或外部干扰磁场等。

对于前者，只能通过改进制造工艺来提升加速度计的测量精度;而对于后者，能够通过改善加速度计工作环境，为加速度计建立严格电磁屏蔽和精密温控的环境，提升石英挠性加速度计的稳定性，从而提升测量精度［7，8］。

因为系统工作环境复杂，外界温度变化范围大，为有效地实现加速度计高精度温度控制，设计了二级温控结构。

为有效抑制外界低频磁场干扰，设计了二级磁屏蔽结构，理论上屏蔽的总效果在50dB以上，完全能满足石英挠性加速度计对磁场屏蔽结构的要求。

图2为本系统加速度计磁屏蔽和两级温控结构示意图。

第一级温控结构采用数字温度传感器作为温度测量传感器，半导体制冷器(TEC)作为温度控制件，改变控制电流大小和流向能够实现不同功率的制冷或制热，将温度控制在30℃，精度控制为±0．5℃。

第二级温控结构采用Pt电阻器作为温度测量传感器，采用薄膜加热片作为温度控制件，改变控制电流的大小实现不同功率的加热，将温度控制在50℃，与第一级温控环境保持一定温差，实现±0．1℃的控制精度。

温度控制芯片采用TIC2000系列DSP，控制算法采用积分分离的PI控制。

当系统刚开机工作时，因为偏差较大，容易产生积分饱和，所以，取消积分作用，只采用比例控制，以加快系统的响应时间;当系统温度接近设定值时，加入积分作用，以消除稳态误差，提升精度。

虽然各误差系数与诸物理参数有确定的函数关系，但误差系数并不是通过这些函数关系计算出来的，而是通过实验室条件下的测试确定出来的。