微加速度计设计全解

第一章引言图１．１静电力驱动式微型夹钳“”２．电磁力驱动微型夹钳电磁力驱动微型夹钳的驱动器一般包括线圈和电磁铁等，线圈所产生的电磁场驱动电磁铁运动，推动夹钳的卡爪完成夹持动作。

这类微型夹钳的卡爪能获得较大范围的开合量，夹持动作响应快，无磨损，控制简单，但是电磁线圈的结构难于用ｌｃ工艺兼容（难于用ＩＣ工艺加工），而且体积大，无法做的很小，还不能称为微夹钳。

３．压电式微夹钳图１－２为压电式微夹钳，驱动源是压电变换器。

通过施加电压，压电变换器产生长度变化，使钳口张合。

此微夹钳具有可控输出，无摩擦，易制作等优点，但是以压电元件驱动的微夹钳受压电元件尺寸的限制，难以做得很小。

压电元件的逆压电效应产生的变形量很小，通常为几～十几微米，不能满足微尺度操作的要求。

一般采用机械增幅机构，利用杠杆原理，来放大位移。

经过二、三级的放大，可以将压电元件的变形量放大到几百微米。

机械增幅机构中多采用柔性铰链，柔性铰链适合于实现小范围偏转的支承，可以作为杠杆支点和构件间的铰接点，体积容易做得很小，无机械摩擦、无间隙。

图１．２压电式微夹钳…１８第一章引言４．形状记忆合金微夹钳上文中提到机械增幅机构，机械增幅机构中多采用柔性铰链，柔性铰链适合于实现小范围偏转的支承，可以作为杠杆支点和构件间的铰接点，体积容易做得很小，无机械摩擦、无间隙。

柔性铰链绕轴作复杂运动的有限弹性角位移时，储存了一定的弹性势能，当机械增幅机械去掉驱动力之后，机构可以靠柔性铰链的弹性能恢复处理和记忆训练后，它对原有的形状具有记忆能力。

利用这种记忆效应来夹持、释放物体，这就是形状记忆合金夹钳的基本原理。

形状记忆合金是一种功能材料，经过一定的热处理和记忆训练后，对原有的形状具有记忆能力。

利用此记忆效应来夹持，释放物体。

如图１．３所示，通过加热由形状记忆合金组成的驱动单元Ｉ，使其产生变形，引起驱动单元ＩＩ变形，从而使钳爪闭合；反之，温度下降，变形恢复，钳爪张开。

形状记忆合金具有较高机械性能，抗蚀性能好，可恢复应变量大，恢复力大，本身既是驱动材料，又是结构材料，便于实现机构的简化和小型化。

一种微机电加速度计及其制备方法与流程首先介绍什么是微机电加速度计微机电加速度计（MEMS加速度计）是利用微电子加工工艺制造、微机电技术实现微小尺寸的加速度传感器。

它是一种基于电容变化原理，测量振动和位移的重要传感器。

MEMS加速度计采用微机电系统技术将机械结构和电路集成在一起，构成一个微型系统。

传统的加速度计需要体积很大、运动惯量很大的感应体，而MEMS加速度计则是将感应体做得非常小，其输出信号需要经过信号调理前后才能得到实际的加速度值。

MEMS加速度计的组成部分MEMS加速度计由三个主要部分组成：1. 加速度感应结构加速度感应结构是指传感器中的加速度感应元件，一般就是振动质量块，其作用是感应加速度并将其转换为电信号。

MEMS加速度计内的振动质量块通常是由取向硅材料制成的微小质量块，这个质量块承受检测对象的加速度，并产生微小的运动。

当检测到加速度的变化时，加速度感应结构也会发生相应的变形和运动，这个变化就能通过电路转化为电信号输出。

2. 电路电路负责将加速度感应元件产生的电信号放大、滤波、及时采集和处理。

微机电加速度计的电路部分通常由信号调理电路和A/D转换电路组成。

信号调理电路通过滤波、比例放大等方式对原始信号进行处理，使其能够满足特定的要求；A/D转换电路将信号转化为数字信号，以方便存储、传输和处理。

3. 封装保护封装保护是指将MEMS加速度计的感应结构和电路封装在一起，以保护其不受外部环境影响。

MEMS加速度计的封装一般分为两种形式：塑胶封装和金属壳封装，前者主要用于低精度应用，后者则用于高精度应用以及军用领域。

MEMS加速度计的制备方法与流程在MEMS加速度计的制备过程中，主要涉及以下几个流程：1. 微加工技术处理在MEMS加速度计的制备中，微加工技术处理扮演着重要的角色。

它主要是利用光刻、腐蚀和离子注入等技术处理硅片原材料，制备加速度感应结构和电路。

2. 硅片切割制备好硅片后，需要进行切割。

MEMS电容式加速度计原理一、工作原理MEMS电容式加速度计是一种基于微机械加工技术制成的传感器，用于测量加速度。

其核心部分是可移动的感应质量块和固定电极，它们之间存在微小的间距。

在工作状态下，当被测物体发生加速度时，感应质量块会受到力的作用，从而产生位移。

这个位移量会改变感应质量块与固定电极之间的距离，从而引起电容值的改变。

通过测量电容值的变化，可以推导出物体的加速度。

二、结构设计MEMS电容式加速度计的典型结构包括一个可移动的感应质量块和两个对称的固定电极。

感应质量块通常采用单晶硅材料制成，形状为长方形或圆形，其两端固定在弹性梁上。

弹性梁的材料一般为氮化硅或石英，它们具有良好的弹性性能和稳定的热性能。

固定电极一般采用金属材料制成，与硅衬底形成电容器。

当加速度作用在感应质量块上时，感应质量块会沿着敏感轴方向产生位移，从而改变电容器的电容值。

三、电容变化当感应质量块发生位移时，它与固定电极之间的距离会发生变化，导致电容值的改变。

这个电容变化量可以通过外部电路检测并转换为电压信号输出。

在MEMS电容式加速度计中，通常采用差分电容检测方式来提高检测灵敏度和减小外界干扰的影响。

差分电容检测方式是将两个对称的电容器串联在一起，通过测量两个电容器的电容差值来推导出加速度值。

四、测量范围MEMS电容式加速度计的测量范围取决于其结构设计、制造工艺和材料选择等因素。

一般来说，MEMS电容式加速度计的测量范围在±2g 至±10g之间。

在实际应用中，可以根据需要选择适合测量范围的加速度计。

此外，为了减小测量误差和提高测量的稳定性，可以对加速度计进行温度补偿和线性补偿等处理。

五、方向测量MEMS电容式加速度计一般只能测量单一方向的加速度值，而要实现方向测量则需要使用多个加速度计。

一般来说，将多个MEMS电容式加速度计按不同的方向布置在同一个被测物体上，每个加速度计负责测量一个方向的加速度值。

通过对这些加速度值进行处理和分析，可以获得物体在三维空间中的运动状态和方向信息。

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三轴加速度计的原理MEMS三轴加速度计是一种基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）技术的传感器，用于测量物体的加速度。

它由微机电系统芯片、控制电路和信号处理电路组成。

在本文中，将详细解释MEMS三轴加速度计的基本原理。

1. 什么是MEMS三轴加速度计？MEMS三轴加速度计是一种能够测量物体在三个方向上的加速度的传感器。

它通常由微机电系统芯片制成，具有微小、低功耗和高精度等特点。

MEMS三轴加速度计广泛应用于移动设备、汽车、导航系统等领域。

2. MEMS三轴加速度计的工作原理MEMS三轴加速度计的工作原理基于微机电系统技术和质量平衡原理。

它通过测量微机电系统芯片中的质量变化来确定物体的加速度。

具体来说，MEMS三轴加速度计通常由两个主要部分组成：感应质量和压电传感器。

2.1 感应质量感应质量是MEMS三轴加速度计的核心部件，它通常由微机电系统芯片中的微小质量块组成。

感应质量可以在多个方向上自由移动，并且具有一定的弹性。

2.2 压电传感器压电传感器是MEMS三轴加速度计中的另一个重要组成部分。

它通常由压电材料制成，如压电陶瓷。

压电材料具有特殊的电学性质，当施加压力或力量时，会产生电荷。

2.3 基本原理MEMS三轴加速度计的基本原理是利用感应质量和压电传感器之间的相互作用来测量加速度。

当物体受到加速度时，感应质量会受到惯性力的作用而移动。

感应质量的移动会导致压电传感器受到压力或力的作用，进而产生电荷。

这个电荷的大小与感应质量的移动距离和加速度大小成正比。

压电传感器将产生的电荷转化为电压信号，并通过控制电路和信号处理电路进行放大和处理。

最终，我们可以通过测量电压信号来确定物体在三个方向上的加速度。

3. MEMS三轴加速度计的工作模式MEMS三轴加速度计通常有两种工作模式：静态模式和动态模式。

3.1 静态模式在静态模式下，MEMS三轴加速度计测量的是物体所受到的重力加速度。

MEMS加速度计MEMS加速度计(电容式)——即加速度传感器天津⼤学电科MEMS PPT演⽰⽂稿以上⼤家看到的各种神奇功能的实现必不可少的便是我们今天的主题——微机械加速度计，（mems加速度计，电容式mems 加速度计！）历史实际上，加速度计早就已经出现在我们的⽣活中，1657年，某⼈就发明了这个依靠加速度计计量时间的摆钟。

到了⼆⼗世纪，各种原理的加速度计如⾬后春笋⼀般涌现，1928振弦式，1938电阻式，1943压电式，1960压阻式，1973压电式，1979电容式。

在前⾯同学的精辟分析后/后⾯将还有⼀组同学向⼤家集中讲解压阻式加速度计，我们主要给⼤家介绍的是电容式加速度计。

原理常见的微加速度计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；按照加⼯⼯艺⽅法⼜可以分为体硅⼯艺微加速度计和表⾯⼯艺微加速度计；按⼯作⽅法⼜可分为开环加速度计和闭环(静电⼒平衡式)加速度计两种关于电容我们都很熟悉，图（a）就是在电容的上下极板上下运动的时候电容会发⽣变化，图b就是极板左右移动的时候电容发⽣变化，图c就是当极板中间插有介质，介质运动时电容也会发⽣变化电容式微加速度计的基本原理，就是利⽤电容来检测加速度场中检测质量在惯性⼒作⽤下的微位移。

由于微位移将引起检测电容的变化，检测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。

根据平⾏板电容的计算公式：。

，可以通过改变极板叠合⾯积A、极板间隙d或极板间介质的相对介电常数等参数来调节电容值的⼤⼩。

反过来，也可以根据检测电容的变化，确定引起电容变化原因，进⽽实现对某些物理量的检测。

电容检测⽅式有三种：变介电常数型、变⾯积型和变极板间隙型。

在微加速度计的设计时，考虑到易于实现集成，常采⽤变极板问隙型检测⽅式来检测加速度。

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差动检测电容由公共活动电极(常为检测质量)和两个固定电极形成：在满⾜Ad<⽬前主要有三种结构形式的变间隙电容式微加速度计，分别是“三明治"式、“扭摆式"式和梳齿式结构。

mems加速度计原理
MEMS加速度计是一种利用微电子机械系统技术制造的加速
度传感器。

它采用微小的质量偏转来测量物体的加速度。

MEMS加速度计的原理基于牛顿第二定律，即力等于质量乘
以加速度。

它包括一个微小的质量块，在加速度作用下会偏转。

具体原理如下：
1. 弹性梁原理：MEMS加速度计的核心部件是微小的弹簧梁
结构。

当加速度作用于传感器时，其内部的弹簧梁会受到力的作用而发生形变。

通过测量形变量的变化，可以计算出加速度大小。

2. 微机电系统技术：MEMS加速度计通过微电子加工工艺制
造出微小的机械结构，这些结构可以识别并测量加速度。

常见的结构包括悬臂梁、微型质量块等。

当加速度发生改变时，这些微小结构会产生微小位移，通过测量位移的变化，可以得到加速度的值。

3. 电容变化原理：MEMS加速度计中的微小结构内部设置了
电容，当加速度发生变化时，结构的位移会导致电容发生改变。

通过测量电容的变化，可以得到加速度的值。

总之，MEMS加速度计利用微小结构的位移或形变来测量加
速度，具有体积小、功耗低和响应速度快等优势，广泛应用于移动设备、汽车电子系统和航空航天等领域。

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。

微型加速度计的制备及软件调试一、引言微型加速度计是一种用于测量物体加速度和重力加速度的仪器。

由于其体积小、重量轻、精度高、响应速度快等特点，被广泛应用于航空航天、汽车工业、医疗器械、智能手机等领域。

近年来，随着物联网、智能城市的发展，微型加速度计的需求量越来越大。

本文旨在介绍微型加速度计的制备和软件调试过程，并分享一些经验。

二、材料和器件所需材料和器件主要有：微加速度传感器、运放、电阻器、电容器、晶体管、电源、示波器、电缆线等。

其中，微加速度传感器是最核心的部分，直接影响仪器的灵敏度和准确性。

三、制备过程1. 设计电路图首先需要根据仪器要求设计电路图，确定所需器件和元器件参数，绘制出电路原理图。

要注意保证电路的稳定性、精度和抗干扰性，以免影响测量结果。

2. 制作电路板根据电路原理图制作电路板，包括布线、钻孔、焊接等步骤。

焊接时要注意避免短路和焊点松动的情况，保证电路板的可靠性。

同时，还要进行电路板的清洗和检测，确保没有错位、缺陷等问题。

3. 安装传感器将微加速度传感器安装在电路板上，并与电路板相连。

传感器需要仔细调整和固定，使其与其他电路元件的连接良好，保证测量准确性。

4. 调试电路用电源给电路供电，并根据指南盘调整电路的阈值、增益、偏移等参数，使其达到最佳测量状态。

此外，还需要进行故障排除和维修，处理电路中可能出现的问题，如漏电、信号干扰等。

四、软件调试在仪器基本功能达到要求后，还需要进行软件调试，包括安装和设置测量软件、编写和运行测试程序、数据采集和分析等步骤。

在进行软件调试时，需要注意以下几个方面：1. 软件的兼容性选择与仪器硬件适配的软件，确保其能够读取和处理测量数据，并进行相应的输出、显示和保存。

2. 测量程序的编写编写测试程序时，需要注意程序的正确性和有效性。

在编写程序前，先确定测试方案和测试参数，选择合适的数据采集模式，并对程序进行调试和优化。

3. 数据的采集和分析数据的采集和分析是软件调试的重要一环。

第34卷第8期重庆大学学报Vo l. 34No. 82011年8月Jour nal of Cho ng qing U niv ersity A ug. 2011文章编号:1000-582X(2011 08-036-07静电刚度式谐振微加速度计的结构设计和制造刘恒1, 2, 张凤田2, 何晓平2, 苏伟2, 张富堂1, 2(1. 重庆大学通信工程学院, 重庆400044; 2. 中国工程物理研究院电子工程研究所, 四川绵阳621900摘要:基于静电刚度的谐振式微加速度计能通过加载电压来调节灵敏度, 减少了灵敏度对结构工艺误差的依赖性。

根据单梁谐振加速度计的动力学原理, 确定了输出频率与各活动结构位移的非线性关系。

对于输出频率与加速度的复杂非线性求解问题, 提出在谐振梁刚度远大于折叠梁刚度条件下, 可以有效的得到二者的解析关系式, 为结构设计提供了约束条件。

对于差分结构, 推导了面内低阶模态方程, 提出应减少音叉梁连接端的刚度系数来减少工艺误差造成的模态扰动误差。

采用ICP 干法体硅工艺, 在很少的工艺步骤下能实现高深宽比结构的流片。

实验测试发现结构完整可动, 但存在同频干扰问题, 提出了高频调制开关解调的信号处理办法。

理论分析和实验测试为设计新型谐振式微加速度计提供了依据。

关键词:微加速度计; 静电刚度; 模态分析; 灵敏度中图分类号:T N911. 71文献标志码:AStructure design and fabrication forresonant accelerometer based on electrostatic stiffnessLIU Heng 1, 2, ZHANG Feng-tia n 2, HE Xiao-ping 2, SU Wei 2, ZH ANG Fu -ta ng 1, 2(1. Colleg e of Comm unication Engineering , Chong qing U niv ersity, Chongqing 400044, P. R. China;2. Institute of Electro nic Engineering , China Academy o f Eng ineering Physics,M iany ang 621900, Sichuan, P. R. ChinaAbstract:T he introduced reso nant accelerom eter makes use of the equivalent electrostatic stiffness to sense the acceler ation. T he sensitivity can be adjusted by chang ing the applied sensing vo ltag e and it is r obust for the fabrication error. According to the sensing principle, the dy namic m odel o f the sing le beam accelerom eter is built alo ng w ith the no -linear relationship of the output fr equency and the displacement of all positive components. When the stiffness of the vibrating beam is much big ger than the stiffness of the fo ld beam, the sensitivity can effective achieve. It is the restr ictio n for the str ucture design. For the differential str ucture, mode analysis show s it is a low er mode in plane fo r the wo rk m ode. Decreasing the stiffness o f connected end fo r the double v ibrating beam can reduce the distur bance erro r. The bulk micro machining for the resonant accelerometer can achieve high depth w idth ration etching. The ex periment find the structure is not bro ken and there is the same frequency distur bance pro blem. FM is suggested to deal w ith the disturbance. T heo ry analysis and test pro vides so me important conclusions fo r the design of the novel ty pe resonant acceler ometer.目前研究较多的谐振梁加速度计就是利用加速度形成的惯性力转化成振梁的轴向应力, 从而改变其谐振频率的方法来检测加速度值的[1-3]。

基于MEMS技术的微型加速度计设计与性能优化研究摘要：微型加速度计是现代传感器技术中的重要组成部分，广泛应用于导航、运动控制、工业自动化等领域。

本研究旨在基于MEMS（微电子机械系统）技术设计和优化微型加速度计，以提高其性能和应用范围。

通过精心设计微结构和优化传感器材料，我们成功地实现了微型加速度计的高灵敏度、低功耗和广泛工作范围。

本文详细介绍了设计和优化的关键步骤，以及性能测试的结果，验证了所提出的微型加速度计在各种应用中的可行性和可靠性。

这项研究为微型加速度计的进一步发展和实际应用提供了重要的指导和支持。

关键词：微型加速度计，MEMS技术，性能优化，传感器材料，应用领域。

引言：随着现代科技的飞速发展，微型加速度计作为一种重要的传感器技术，已经在多个领域展现出广泛的应用前景。

它不仅可以用于智能手机的运动感知，还可以在导航、航空航天、工业自动化等领域发挥关键作用。

微型加速度计的性能和可靠性对于这些应用至关重要，因此，设计和优化微型加速度计成为当前研究的重要方向之一。

MEMS技术（微电子机械系统）是制造微型加速度计的关键工具，它允许在微米尺度上制造精密的机械结构和传感器元件。

通过MEMS技术，研究人员可以精心设计微型加速度计的结构，选择合适的传感器材料，并进行性能优化，以满足不同应用领域的需求。

一、微型加速度计的设计与性能需求微型加速度计作为一种重要的传感器技术，在现代科技和工业应用中扮演着关键的角色。

它具有测量物体加速度的能力，可广泛应用于导航、运动控制、工业自动化、航空航天等领域。

在不同的应用场景中，微型加速度计需要满足各种性能需求，这些性能需求对于确保传感器的准确性、可靠性和稳定性至关重要。

微型加速度计的灵敏度是一个关键性能指标。

灵敏度表示微型加速度计对加速度变化的检测能力，通常以每单位重力加速度（g）对应的电信号输出来衡量。

高灵敏度的微型加速度计能够检测到微小的加速度变化，因此在需要高精度测量的应用中尤为重要，如精密导航系统和科学研究。