加速度计芯片 MEMS加速度计的原理及运用_电子/电路_工程科技_专业资料

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 原理加速度计芯片，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。 压电式微 加速度计是最早出现的微加速度计， 其优点是： 结构简单， 芯片的制作相对容易， 并且接口电路易于实现。

其缺点是：温度系数比较大，对温度比较敏感；和其他 原理微加速度计相比，其灵敏度比较低，蠕变和迟滞效应比较明显。图1：压阻式微加速度计原理图1.2.2 电容式微加速度计 电容式微加速度计是最常见的，也有成熟推广的产品。其基本原理就是将电 容作为检测接口， 来检测由于惯性力作用导致惯性质量块发生的微位移。质量块 由弹性微梁支撑连接在基体上，检测电容的一个极板一般配置在运动的质量块 上，一个极板配置在固定的基体上。图2所示为典型的三明治结构的平板电容式 微加速度计。还有AD 公司开发的电容式微加速度计采用梳齿阵列电容作为检测 接口。电容式微加速度计的灵敏度和测量精度高、稳定性好、温度漂移小、功耗 极低，而且过载保护能力较强；能够利用静电力实现反馈闭环控制，显著提高传 感器的性能。图2：电容式微加速度计示意图1.2.3 扭摆式微加速度计 扭摆式微加速度计的敏感单元是不对称质量平板，通过扭转轴与基座相连， 基座上表面布置有固定电极，敏感平板下表面有相应的运动电极加速度计芯片，形成检测电容 (如图3) 。当有加速度作用时，不对称平板在惯性力作用下，将发生绕扭转轴的 转动。转动角与加速度成比例关系，可用下式表示： maL = Kθ （3）式中， a 为输入加速度；L 为质量平板质心到支撑轴转动中心的距离；K 为支 撑轴的扭转刚度系数；θ为平板的扭转角。