MEMS技術(shù)(2微系統(tǒng)的工作原理1-傳感器2)

微系統(tǒng)的工作原理王文廉——微型傳感器第二部分

微型慣性傳感器定義：利用MEMS技術(shù)制作的，把加速度、角速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的器件，包括加速度計(jì)和陀螺。微型慣性傳感器有多種檢測(cè)原理，如：壓阻、電容、壓電、真空微電子、隧道效應(yīng)等。需求加速度計(jì)——基本工作原理基本物理原理

F=ma讀出技術(shù)壓阻效應(yīng)壓電效應(yīng)熱效應(yīng)電容效應(yīng)電感效應(yīng)諧振效應(yīng)隧穿效應(yīng)光學(xué)效應(yīng)1.1壓阻式微型加速度計(jì)壓阻式加速度計(jì)利用質(zhì)量塊把加速度的變化通過支撐臂的應(yīng)力變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路測(cè)出被測(cè)量值的變化。壓阻式加速度計(jì)基本公式其中：R——總電阻值的變化πl(wèi)——沿某晶向L的壓阻系數(shù)σ——在x點(diǎn)沿該晶向L的應(yīng)力

m——質(zhì)量塊的質(zhì)量

a——加速度

l,b,h——梁的長(zhǎng)、寬、厚

壓阻式微型加速度計(jì)例美國(guó)ICSensor公司生產(chǎn)的壓阻式加速度計(jì)壓阻式微型加速度計(jì)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：制作工藝較簡(jiǎn)單，檢測(cè)電路簡(jiǎn)單，易于獲得較大的質(zhì)量塊和高g值；缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性較差。1.2電容式微型加速度計(jì)利用質(zhì)量塊把加速度的變化轉(zhuǎn)換成電容電極間極距的變化，一般采用差分結(jié)構(gòu)。不同的電容測(cè)量方式電容式加速度計(jì)基本公式其中：C0——靜態(tài)時(shí)電容值C1、C2——中間極板移動(dòng)后的電容值d——靜態(tài)時(shí)極板間距S——極板相對(duì)面積——介電常數(shù)E——梁材料（硅）的彈性模量

這種傳感器的靈敏度和非線性誤差分別為：

2()2從制作工藝上，電容式微型加速度計(jì)可分為兩類：表面工藝微型加速度計(jì)和體硅工藝微型加速度計(jì)。表面工藝電容式加速度計(jì)，采用叉指式電容。電容式微型加速度計(jì)例美國(guó)AD公司生產(chǎn)公司生產(chǎn)的加速度計(jì)德國(guó)卡爾斯魯爾核研究中心研制的三維LIGA加速度計(jì)電容式微型加速度計(jì)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好、靈敏度高、適用溫度范圍廣。缺點(diǎn)：對(duì)電路要求較高。體硅工藝加速度計(jì)能達(dá)到高g值量程，其缺點(diǎn)是不便于與電路集成；表面工藝加速度計(jì)制作簡(jiǎn)便、成本低、適合于與電路集成，但難于實(shí)現(xiàn)高g值。

1.3隧道效應(yīng)微型加速度計(jì)在探針電極與檢測(cè)電極間施加一個(gè)偏置電壓，當(dāng)探針與檢測(cè)電極間的距離非常接近時(shí)(nm量級(jí))，它們的表面電子云就有可能重疊，在兩者之間施加一個(gè)微小電壓，電子就會(huì)穿過兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘，形成隧道電流。隧道效應(yīng)微型加速度計(jì)工作原理隧道電流的基本公式其中：＝1.025eV-1/2-1s－針尖與電極之間的距離－針尖和電極表面間的勢(shì)壘（對(duì)于空氣中的金電極，在0.05eV-0.5eV之間）

對(duì)于典型的和s（＝0.5eV，s=10），隧道電流約1nA。間距變化1，隧道電流將變化三倍。如電路設(shè)計(jì)良好，可以測(cè)量10-4的距離變化量。

隧道效應(yīng)微型加速度計(jì)例（1）斯坦福大學(xué)制作的隧道效應(yīng)加速度計(jì)5～1.5KHz,20ng/sqrt(Hz)隧道效應(yīng)微型加速度計(jì)例（2）斯坦福大學(xué)制作的隧道效應(yīng)加速度計(jì)隧道效應(yīng)微型加速度計(jì)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、帶寬寬；缺點(diǎn)：對(duì)電路要求較高，需反饋控制。直接數(shù)字輸出潛在的高精度1.4諧振式加速度計(jì)1.5熱對(duì)流式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)和讀出電路簡(jiǎn)單響應(yīng)較慢線性工作范圍小受溫度影響大熱對(duì)流式微型加速度計(jì)利用熱線式流量傳感器的原理，通過測(cè)量加速度使封閉腔內(nèi)熱對(duì)流氣體流動(dòng)場(chǎng)的變化，獲取加速度。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無可動(dòng)部件。1.6壓電式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無法測(cè)直流（常加速度）溫度系數(shù)較大PiezoelectricsensorsWhenaforceisappliedtoapiezoelectricmaterial,achargeisinducedonthesurfacewhichisproportionaltotheappliedforce.Theappliedforcecanthusbededucedbymeasuringtheelectricalpotentialthatappearsacrossthecrystal.Commonpiezoelectriccrystalsusedformicro-engineereddevicesincludezincoxideandPZT(PbZrTiO3-leadzirconate

titanate),whichcanbedepositedonmicrostructures,andpatterned.單軸加速度傳感器雙軸加速度傳感器多軸加速度傳感器加速度傳感器陣列單質(zhì)量塊三軸微加速度計(jì)

加速度計(jì)管芯和最終產(chǎn)品安全氣袋控制組件2微型振動(dòng)陀螺基本工作原理：通過驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊在一方向振動(dòng)，當(dāng)有角速度時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生垂直于振動(dòng)方向和角速度的哥氏力，使質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，通過檢測(cè)位移，求出角速度。角速率傳感器——基本工作原理旋轉(zhuǎn)剛體定軸性進(jìn)動(dòng)性振動(dòng)剛體傅科擺振動(dòng)陀螺的基本公式其中：

——哥氏力

——被測(cè)角速度

——激振振動(dòng)速度

m——質(zhì)量

F——哥氏力的幅值p——激振頻率

t——時(shí)間當(dāng)激振頻率與檢測(cè)諧振頻率相同時(shí)，因哥氏力所產(chǎn)生的振動(dòng)的振幅A其中：

Q——品質(zhì)因子

激勵(lì)軸和檢測(cè)軸的諧振頻率頻率越接近，靈敏度越高；Q值越高，靈敏度越高。

角速率傳感器——基本工作原理角速率傳感器——讀出技術(shù)讀出技術(shù)壓阻效應(yīng)壓電效應(yīng)熱效應(yīng)電容效應(yīng)電感效應(yīng)光學(xué)效應(yīng)角速率傳感器——音叉式陀螺儀工作原理Asiliconwaferdissolvedvibratinggyroscope角速率傳感器——線振動(dòng)式角速率傳感器——角振動(dòng)式角速率傳感器——振動(dòng)環(huán)式角速率傳感器——混和式苜蓿葉式UCLA&JPL0.1Deg/h國(guó)外研究情況（二）1992，音叉式1996：分辨率24deg/h,60Hz

零偏穩(wěn)定性20deg/h（室溫）,10deg/h（0.5degC）國(guó)外研究情況（五）ADI（IMI）X、Y軸微型振動(dòng)陀螺例（2）清華研制的振動(dòng)陀螺利用體硅、鍵合工藝，平板電容檢測(cè)。微型振動(dòng)陀螺例（3）加州大學(xué)伯克利分校研制的Z軸角速度陀螺儀。利用表面工藝制作。叉指電容檢測(cè)。微型振動(dòng)陀螺例（4）美國(guó)HRL研制的隧道效應(yīng)角速度陀螺。利用表面工藝制作。微型振動(dòng)環(huán)陀螺例（5）美國(guó)通用汽車公司與密西根大學(xué)制作的。該陀螺儀是在分布了簡(jiǎn)單的電路的硅片上利用準(zhǔn)LIGA工藝制作的，環(huán)的直徑為1mm，寬為5m，厚為19m，電極間的距離為7m。微型振動(dòng)環(huán)陀螺振動(dòng)環(huán)陀螺由環(huán)形可動(dòng)電極、固定電極、支撐條和支撐點(diǎn)構(gòu)成，利用靜電驅(qū)動(dòng)，使環(huán)以橢圓型振動(dòng)，當(dāng)有角速度時(shí)，因科氏力的作用，橢圓主軸產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，通過檢測(cè)電容的變化，求出角速度。2.5集成微