【机械专业中文翻译】电容式硅微机械加速度计系统的特性研究

MEMS中的微传感器微机电系统（Microelectro Mechanical Systems,MEMS）是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。

完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。

其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。

在微机加工技术的推动下，微机械传感器，特别是力敏传感器获得了很大的发展，其中的一些代表性产品如压力传感器尤为突出，压力传感器在市场的推动下向更高性能化方向发展，加速度传感器已商品化，微机械陀螺产品也开始展露头脚。

而微机技术在其它各类传感器中的应用例子则比比皆是。

现在，甚至纳微级的传感器也行将问世。

微机械压力传感器微机械压力传感器是最早开始研制的微机械产品，也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化的产品。

从信号检测方式来看，微机械压力传感器分为压阻式和电容式两类，分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造。

在现有技术下，压阻式压力传感器的精度可达0.05％～0.01％,年稳定性达0.1％/F.S,温度误差为0.0002％,耐压可达几百兆帕,过压保护范围可达传感器量程的20倍以上,并能进行大范围下的全温补偿。

现阶段微机械压力传感器的主要发展方向有以下几个方面：(1)将敏感元件与信号处理、校准、补偿、微控制器等进行单片集成，研制智能化的压力传感器。

(2)进一步提高压力传感器的灵敏度，实现低量程的微压传感器。

(3)提高工作温度，研制高低温压力传感器。

（4）开发谐振式压力传感器。

MEMS压力传感器主要应用于汽车引擎控制、油压控制、车载空调等方面，近几年按数量计算，汽车用途占到93％。

今后微机械压力传感器还将持续以汽车用途为中心的市场趋势。

微加速度传感器硅微加速度传感器是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。

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。

mems传感器原理MEMS传感器原理MEMS传感器是一种微型传感器，全称为Micro-Electro-Mechanical Systems传感器，是利用微机电技术制造的传感器。

它的工作原理是通过微小的机械运动或电学信号的变化来测量和检测物理量。

MEMS传感器广泛应用于手机、汽车、医疗设备等各个领域，成为现代科技的重要组成部分。

1. MEMS传感器的结构MEMS传感器的核心部分是微机电系统。

它由微小的机械结构和电学部分组成。

微小的机械结构通常由硅片制成，具有非常高的精度和稳定性。

电学部分则包括传感器的电路和信号处理单元。

这些部分通过微纳加工技术相互结合，形成一个完整的MEMS传感器。

2. MEMS传感器的原理MEMS传感器的工作原理主要分为机械型和电容型两种。

机械型MEMS传感器利用微小的机械结构的运动来感知物理量。

例如，加速度计就是一种机械型MEMS传感器。

它通过测量微小结构的运动变化来检测物体的加速度。

当物体加速或减速时，微小结构会受到力的作用，从而产生微小的位移。

通过测量这个位移，可以确定物体的加速度。

机械型MEMS传感器还可以用于测量压力、温度等物理量。

电容型MEMS传感器则利用电学信号的变化来感知物理量。

其中最常见的是电容式加速度计。

电容式加速度计由两个电极组成，当传感器受到加速度时，电极之间的电容会发生变化。

通过测量电容的变化，可以确定物体的加速度。

电容型MEMS传感器还可以用于测量角度、磁场等物理量。

3. MEMS传感器的优势MEMS传感器相比传统的传感器具有许多优势。

MEMS传感器体积小、重量轻。

由于采用了微纳加工技术，MEMS 传感器可以制造出非常微小的结构，从而大大减小了传感器的尺寸和重量。

这使得MEMS传感器可以方便地集成到各种设备中，如手机、智能手表等。

MEMS传感器功耗低。

由于体积小，MEMS传感器所需的电力也较低。

这不仅延长了电池寿命，还降低了能源消耗。

MEMS传感器响应速度快。

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。

电源招聘专家硅微压阻式加速度传感器的设计硅微加速度传感器是。

MEMS器件中的一个重要分支，具有十分广阔的应用前景。

由于硅微加速度传感器具有响应快、灵敏度高、精度高、易于小型化等优点，而且该种传感器在强辐射作用下能正常工作，使其近年来发展迅速。

与国外相比，国内对硅微传感器的研究起步较晚，所做的工作主要集中在硅微加速度传感器的加工制造和理论研究。

文中以双端固支式硅微加速度传感器为研究对象，借助Aasys软件对其性能进行仿真分析，从而选出性能优良的结构形式。

1 传感器结构及工作原理压阻式加速度传感器是最早开发的硅微加速度传感器，弹性元件的结构形式一般均采用微机械加工技术形成硅梁外加质量块的形式，利用压阻效应来检测加速度。

在双端固支梁结构中，质量块像活塞一样上下运动，该结构形式的传感器示意图，如图1所示。

2 压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器是最早开发的硅微型加速度传感器，也是当前使用较多的一种。

20世纪80年代初，美国斯坦福大学的Roylance和Angell发表了第一篇介绍硅微型加速度传感器的文章后，全硅传感器开始问世。

随着对硅微型加速度计原理研究的深入以及工艺实现的多样性，硅微型加速度传感器的种类日益繁多，各种应用于不同场合下的硅微型加速度计层出不穷，对硅微型加速度计的研究也越来越受到人们的重视。

压阻式加速度传感器体积小、频率范围宽、测量加速度的范围宽，直接输出电压信号，不需要复杂的电路接口，大批量生产时价格低廉，可重复生产性好，可直接测量连续的加速度和稳态加速度，但对温度的漂移较大，对安装和其它应力也较敏感，它不具备某些低gn 值测量时所需的准确度。

3 压阻式硅微加速度传感器结构形式3． 1 结构形式压阻式加速度传感器的弹性元件一般采用硅梁外加质量块，质量块由悬臂梁支撑，并在悬臂梁上制作电阻，连接成测量电桥。

在惯性力作用下质量块上下运动，悬臂梁上电阻的阻值随电源招聘专家应力的作用而发生变化，引起测量电桥输出电压变化，以此实现对加速度的测量。