MEMS技术(2-微系统的工作原理1-传感器-2)

微系统的工作原理王文廉——微型传感器第二部分微型惯性传感器定义：利用MEMS技术制作的，把加速度、角速度转换为电信号输出的器件，包括加速度计和陀螺。微型惯性传感器有多种检测原理，如：压阻、电容、压电、真空微电子、隧道效应等。需求加速度计——基本工作原理基本物理原理F=mam加速度测量方向读出传感器壳体检测质量阻尼器弹簧读出技术压阻效应压电效应热效应电容效应电感效应谐振效应隧穿效应光学效应1.1压阻式微型加速度计压阻式加速度计利用质量块把加速度的变化通过支撑臂的应力变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路测出被测量值的变化。质量块加速度方向压阻元件ma＋V－VVo压敏电阻压阻式加速度计基本公式其中：R——总电阻值的变化πl——沿某晶向L的压阻系数σ——在x点沿该晶向L的应力m——质量块的质量a——加速度l,b,h——梁的长、宽、厚RRxLl()()()xmalxbh62压阻式微型加速度计例美国ICSensor公司生产的压阻式加速度计压阻式微型加速度计的特点优点：制作工艺较简单，检测电路简单，易于获得较大的质量块和高g值；缺点：温度稳定性较差。1.2电容式微型加速度计利用质量块把加速度的变化转换成电容电极间极距的变化，一般采用差分结构。ma电极解调Vo不同的电容测量方式电容式加速度计基本公式其中：C0——静态时电容值C1、C2——中间极板移动后的电容值d——静态时极板间距S——极板相对面积——介电常数E——梁材料（硅）的弹性模量CCCCdddd120322CCdd02dmalEbh433这种传感器的灵敏度和非线性误差分别为：2()2KCdSd2dd100%从制作工艺上，电容式微型加速度计可分为两类：表面工艺微型加速度计和体硅工艺微型加速度计。表面工艺电容式加速度计，采用叉指式电容。电容式微型加速度计例美国AD公司生产公司生产的加速度计德国卡尔斯鲁尔核研究中心研制的三维LIGA加速度计电容式微型加速度计的特点优点：稳定性好、灵敏度高、适用温度范围广。缺点：对电路要求较高。体硅工艺加速度计能达到高g值量程，其缺点是不便于与电路集成；表面工艺加速度计制作简便、成本低、适合于与电路集成，但难于实现高g值。1.3隧道效应微型加速度计在探针电极与检测电极间施加一个偏置电压，当探针与检测电极间的距离非常接近时(nm量级)，它们的表面电子云就有可能重叠，在两者之间施加一个微小电压，电子就会穿过两个电极之间的势垒，形成隧道电流。质量块隧道电流隧道探针膜加速度方向隧道效应微型加速度计工作原理隧道电流的基本公式其中：＝1.025eV-1/2-1s－针尖与电极之间的距离－针尖和电极表面间的势垒（对于空气中的金电极，在0.05eV-0.5eV之间）对于典型的和s（＝0.5eV，s=10），隧道电流约1nA。间距变化1，隧道电流将变化三倍。如电路设计良好，可以测量10-4的距离变化量。sTunnelingeII0隧道效应微型加速度计例（1）斯坦福大学制作的隧道效应加速度计5～1.5KHz,20ng/sqrt(Hz)隧道效应微型加速度计例（2）斯坦福大学制作的隧道效应加速度计隧道效应微型加速度计的特点优点：灵敏度高、带宽宽；缺点：对电路要求较高，需反馈控制。直接数字输出潜在的高精度m振梁a1.4谐振式加速度计1.5热对流式加速度计结构和读出电路简单响应较慢线性工作范围小受温度影响大加热电阻热敏电阻＋V－VVoa气腔热对流式微型加速度计利用热线式流量传感器的原理，通过测量加速度使封闭腔内热对流气体流动场的变化，获取加速度。结构简单，无可动部件。1.6压电式加速度计结构简单无法测直流（常加速度）温度系数较大m压电材料aCfVoPiezoelectricsensorsWhenaforceisappliedtoapiezoelectricmaterial,achargeisinducedonthesurfacewhichisproportionaltotheappliedforce.Theappliedforcecanthusbededucedbymeasuringtheelectricalpotentialthatappearsacrossthecrystal.Commonpiezoelectriccrystalsusedformicro-engineereddevicesincludezincoxideandPZT(PbZrTiO3-leadzirconatetitanate),whichcanbedepositedonmicrostructures,andpatterned.压缩弯曲剪切压电材料力传感器压力传感器加速度计调理电路单轴加速度传感器双轴加速度传感器多轴加速度传感器加速度传感器阵列单质量块三轴微加速度计加速度计管芯和最终产品安全气袋控制组件2微型振动陀螺基本工作原理：通过驱动质量块在一方向振动，当有角速度时，将会产生垂直于振动方向和角速度的哥氏力，使质量块产生位移，通过检测位移，求出角速度。角速率传感器——基本工作原理旋转刚体定轴性进动性振动刚体傅科摆mVFC振动陀螺的基本公式其中：——哥氏力——被测角速度——激振振动速度m——质量F——哥氏力的幅值p——激振频率t——时间tFvmfpsin2fv当激振频率与检测谐振频率相同时，因哥氏力所产生的振动的振幅A其中：Q——品质因子激励轴和检测轴的谐振频率频率越接近，灵敏度越高；Q值越高，灵敏度越高。AFQQp114212/角速率传感器——基本工作原理驱动放大解调放大Vo驱动方向敏感方向角速率传感器——读出技术读出技术压阻效应压电效应热效应电容效应电感效应光学效应角速率传感器——音叉式陀螺仪工作原理proofmassfixedcombbasebeamanchorproofdrivebeamtorsionbeammasssenseelectrodecomp.electricalvelocityforcedriveSelfDriveOscillatorLoopsignalotherforcessenseaxisdynamicsdriveaxisdynamics2xvvelocityoutputnoisefilterandDCgainindicatedrateSenseAxisChainACgainAsiliconwaferdissolvedvibratinggyroscope角速率传感器——线振动式角速率传感器——角振动式角速率传感器——振动环式角速率传感器——混和式苜蓿叶式UCLA&JPL0.1Deg/h国外研究情况（二）1992，音叉式1996：分辨率24deg/h,60Hz零偏稳定性20deg/h（室温）,10deg/h（0.5degC）国外研究情况（五）ADI（IMI）X、Y轴微型振动陀螺例（2）清华研制的振动陀螺利用体硅、键合工艺，平板电容检测。微型振动陀螺例（3）加州大学伯克利分校研制的Z轴角速度陀螺仪。利用表面工艺制作。叉指电容检测。微型振动陀螺例（4）美国HRL研制的隧道效应角速度陀螺。利用表面工艺制作。微型振动环陀螺例（5）美国通用汽车公司与密西根大学制作的。该陀螺仪是在分布了简单的电路的硅片上利用准LIGA工艺制作的，环的直径为1mm，宽为5m，厚为19m，电极间的距离为7m。微型振动环陀螺振动环陀螺由环形可动电极、固定电极、支撑条和支撑点构成，利用静电驱动，使环以椭圆型振动，当有角速度时，因科氏力的作用，椭圆主轴产生偏转，通过检测电容的变化，求出角速度。2.5集成微型惯性传感器六自由度MIMU国外研究情况（一）国外研究情况（二）国外研究情况（三）国外研究情况（四）微型惯性传感器的应用汽车：防撞气囊、防抱死、悬挂系统国防：导弹制导、引信、飞机/卫星的姿控导航工业：机器人测控、机床减震、电梯控制防灾：地震监测、桥/坝测震家电：摄像机、洗衣机、玩具IT：虚拟现实、三维鼠标