中文翻译-电容式硅微机械加速度计系统的特性研究

基于Galerkin法分析微梁的动态响应一、课题研究背景1.MEMS的概念MEMS是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System)的英文缩写，是指将微结构的传感技术、致动技术和微电子控制技术集成于一体，形成同时具有“传感－计算(控制)－执行”功能的智能微型装置或微型系统[1]。

随着技术的兴起和发展，MEMS已成为继微电子技术之后在微尺度研究领域中的又一次革命。

MEMS通过力、电、磁等能量的转换来实现自身的特有功能，涉及多种物理场的互相耦合，因此它是一个多能量域耦合作用的极其复杂的系统。

2.MEMS的特点一般地说MEMS具有以下几个非约束性的特征：（1）MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。

尺寸在毫米到微米范围之内，区别于一般宏(Macro)，即传统的、大于1cm 尺度的“机械”，并非进入物理上的微观层次。

（2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似于铝，热传导率接近钼和钨。

基于(但不限于)硅微加工技术制造。

（3）批量生产大大降低了MEMS 产品成本。

用硅微加工工艺在一片硅片上同时可制造出成百上千个微型机电装置或完整的MEMS，批量生产使性能价格比比之传统“机械”制造技术大幅度地提高。

（4）集成化。

可以把不同功能、不同敏感方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能器件集成在一起，形成复杂的微系统。

微传感器、微执行器和微电子器件集成在一起可制造成可靠性、稳定性很高的MEMS。

3.MEMS的研究领域作为一门交叉学科，MEMS的研究和开发更是为了在微观领域探索新原理、开发新功能、制造新器件。

由于MEMS具有体系小、重量轻、能耗低、集成度高和智能化程度高等一系列优点，MEMS的研究领域不仅与微电子学密切相关，而且还广泛涉及到机械、材料、光学、流体、化学、热学、声学、磁学、自动控制、仿真学等学科，技术影响遍及包括各种传感器件、医疗、生物芯片、通信、机器人、能源、武器、航空航天等领域[2-5]，所以MEMS技术是一门多学科的综合技术。

加速度传感器介绍加速度传感器的简述北京航空航天⼤学仪器科学与光电⼯程学院夏伟强1.加速度传感器的意义加速度传感器是⼀种能够测量加速⼒的电⼦设备，⼴泛⽤于航空航天、武器系统、汽车、消费电⼦等。

通过加速度的测量，可以了解运动物体的运动状态。

可应⽤在控制，⼿柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，⼯程测振、地质勘探、铁路、桥梁、⼤坝的振动测试与分析；⿏标，⾼层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。

2.加速度传感器的⼯作原理根据⽜顿第⼆定律：A(加速度)=F(⼒)/M(质量)。

只需测量作⽤⼒F就可以得到已知质量物体的加速度。

利⽤电磁⼒平衡这个⼒，就可以得到作⽤⼒与电流（电压）的对应关系，通过这个简单的原理来设计加速度传感器。

本质是通过作⽤⼒造成传感器内部敏感元件发⽣变形，通过测量其变形量并⽤相关电路转化成电压输出，得到相应的加速度信号。

3.加速度传感器主要技术指标a）量程。

⽐如测量车辆运动只需⼏⼗个g量程，但是测量武器系统的侵彻指标，就需要传感器的量程达10万g甚⾄更⼤。

b）灵敏度。

⼀般来说，越灵敏越好。

越灵敏的传感器对⼀定范围内的加速度变化更敏感，输出电压的变化也越⼤，这样就⽐较容易测量，从⽽获得更精确的测量值。

c）带宽。

主要指传感器可测量的有效频带。

对于⼀般只要测量倾⾓的应⽤，50HZ的带宽应该⾜够了，但是对于需要进⾏动态性能，⽐如振动，你会需要⼀个具有上百HZ带宽的传感器。

4.加速度传感器发展现状及发展趋势市场上占统治地位的加速度传感器是压电式、压阻式、电容式、谐振式等。

压阻式加速度传感器具有加⼯⼯艺简单，测量⽅法易⾏，等优点。

但是，温度效应严重，⼯作温度范围窄，并且灵敏度低，⼀般只有1mg左右，要继续提⾼灵敏度难度很⼤。

压电式加速度计信噪⽐⾼，灵敏度⾼，结构简单，但是信号处理电路较复杂，存在零漂现象不可避免，并且回零慢，不适宜连续测试。

微电容式加速度计具有结构简单、灵敏度⾼、动态特性好、抗过载能⼒⼤，易于集成，不易受温度影响，功耗低，但是，存在输出特性的⾮线性、寄⽣电容、分布电容对灵敏度的影响，以及信号处理电路复杂等问题。

微型机械电子系统调查报告学院：电气工程及自动化姓名：XXX指导教师：XX一、调研背景微型机械电子系统（MEMS），集微电子学，纳米技术，力学和微细加工技术，是现代多学科融合的成果。

它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、尤其具有更高的可靠性，同时，其微小的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

MEMS传感器作为机械工程，材料科学，生物医学，电工电子学等多学科，多领域交叉综合的产物，通过微细加工技术，Ic工艺，微系统封装技术等高新技术制造而成。

已在机械工程领域，生物医学，远程控制，状态监测等诸多方面发挥着不可或缺的作用，尤其在机械工程领域的贡献尤为突出。

二、调研目的及意义微型机械电子系统拥有广阔的发展前景及巨大的实际价值，以此为课题开展研究可以学习和掌握更多专业知识，丰富自己的见识，了解我国微型机械电子系统的发展现状，追踪微型机械电子系统技术前沿发展，并以此为切入点了解我国科技行业发展现状。

通过对我国及国际上微型机械电子系统的比较、分析，了解我国微型机械电子系统发展的优势与不足，为以后的学习生活积累经验。

三、微型机械电子系统国内外发展现状及发展趋势目前已有大量的微型机械或微型系统被研究出来，例如：尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红血球，尺寸为7mm×7mm×2mm的微型泵流量可达250μl/min能开动的汽车，在磁场中飞行的机器蝴蝶，以及集微型速度计、微型陀螺和信号处理系统为一体的微型惯性组合（MIMU）。

德国创造了LIGA工艺，制成了悬臂梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴、湿度、流量传感器以及多种光学器件。

美国加州理工学院在飞机翼面粘上相当数量的1mm的微梁，控制其弯曲角度以影响飞机的空气动力学特性。

美国大批量生产的硅加速度计把微型传感器（机械部分）和集成电路（电信号源、放大器、信号处理和正检正电路等）一起集成在硅片上3mm×3mm的范围内。

日本研制的数厘米见方的微型车床可加工精度达1.5μm 的微细轴。

利用有限元建模分析压电式薄膜微加速度计Qing-Ming Wang, Zhaochun Yang, Fang Li, Patrick Smolinski摘要利用锆钛酸铅（PZT）薄膜压电变化的微加速度计具有结构简单和潜在高灵敏度性吸引了大量的关注。

在本文中，我们介绍一种压电式硅微加速度计具有四边弹性扰梁和中心敏感质量块结构的理论模型。

该模型考虑到压电薄膜尺寸设计和弹性特性影响和由有限元分析获得的结果有好的一致性。

研究显示该加速度计的灵敏度减小和悬臂梁宽的增大，悬臂梁的双膜厚度，和微机械结构的弹性系数有关。

灵敏度的增大和悬臂梁的增大有关。

为了确定悬臂梁的厚度，最大限度的灵敏度与适当的压电式硅梁厚度的比率。

另外，据发现以适当的几何尺寸，高的灵敏度和宽的频率的带宽可以达到。

当器件受到大的加速度振动时计算压电式硅悬臂梁结构应力分布，显示在非常大的加速度作用时，薄膜微加速度计有很好的微机械可靠性。

在动力学分析中，据模态分析和有限元模型分析的结果发现很接近器件的共振频率。

研究结果将容易地应用于压电式微加速度计芯片设计和结构最佳优化上。

关键字：压电式加速度计；微机电系统；灵敏度；锆钛酸铅（PZT）薄膜效应1.引言压电加速度计直接利用压电陶瓷的压电效果，晶体或薄膜产生的输出电荷量是与施加应用的加速度成比例的[1-3]。

在加速度中，器件的应力起因是检测振动质量块在压电材料上产生总的力。

积聚的总的电荷是与施加应用的力和施加应用的加速度成比例的。

压电器件的电极收集的电荷通过信号调节装置传输一个细微加速度，一旦电荷具备条件，为了显示，记录，分析和控制可利用到的信号，如改变电压的变化[2] 压电加速度计具有底成本，结构简单，易于集成电子电路，宽的频率响应及高的灵敏度的有利条件。

因此，压电加速度计已经普遍的利用监测方法来测量机械振动。

近年来，由于电子器件趋于小型化，低成本和它们适合批量生产制造，压电微加速度计利用压电薄膜引起了大量的研究影响[4-7]。

基于Microblaze的MEMS加速度计信号处理系统孟桂芳;周文闻;王芃【摘要】针对目前MEMS加速度计信号处理系统在应用中满足小型化的需求,设计出了基于Microblaze的MEMS加速度计信号处理系统.采用FPGA作为硬件基础,嵌入软核CPU,扩展ADC、温度传感器、EEPROM、UART等外设接口.设计出了数字滤波器的原型,并通过递推算法在片内实现其功能.根据实测的加速度计温度曲线,通过多项式数据拟合的方法得出了零g下加速度计零偏关于温度的函数.实验结果表明,所设计的信号处理系统能准确采集加速度信息并传送给上位机,同时在启动温度补偿算法以后,加速度计的温漂得到了一定的改善,满足了加速度计系统实现高度集成化的需求.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2013(000)012【总页数】4页(P84-86,89)【关键词】微机械;加速度计;软核处理器;可编程逻辑门阵列;温度补偿;数字滤波器【作者】孟桂芳;周文闻;王芃【作者单位】苏州工业职业技术学院电子与通信工程系,江苏苏州215104;北京博电新力电气股份有限公司,北京100083;清华大学精密仪器系,北京100084【正文语种】中文【中图分类】TP2730 引言加速度计是一种以牛顿惯性定律为基础的传感器，用于测量物体的加速度值。

以硅为材料的加速度计在最近20年得到了快速的发展，出现了硅电容、硅压阻、硅压电、厚膜应变、力平衡、电子隧道和热传导等多种加速度计，并广泛应用于航空、航天、机械、自动控制等诸多领域。

电容式微机械(MEMS)加速度计以其具有相对高的灵敏度，较好的温度特性，低的功耗以及能够工作在力平衡模式等优点而一直被作为加速度计研究的主要方向之一。

MEMS加速度计具有体积小、重量轻、成本低、功耗低等特点［1－2］。

提高MEMS加速度计性能指标的最大瓶颈是要解决加速度计的漂移问题，包括两类漂移:零g情况下，输出随温度变化而出现的温漂，以及输出随时间变化而出现的时漂。