MEMS 加速度計(jì)的原理及運(yùn)用高鵬 黃國勝 2006．12.19目錄 1.MEMS 加速度計(jì)基本原理分析1.1 MEMS 簡介 1.2 微加速度計(jì)的類型 1.3 差分電容式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)模型及其工作原理 1.4 MEMS 微加速度計(jì)的制造工藝 1.5 MEMS 微加速度計(jì)主要性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)和控制 1.6 MEMS 加速度計(jì)的其它結(jié)構(gòu) 1.7 各廠商 MEMS 加速芯片參數(shù)對(duì)比 1.8 線性度 1.9 靈敏度與功耗 2．MEMS 加速度計(jì)國內(nèi)外現(xiàn)狀 3．微加速度計(jì)的發(fā)展趨勢(shì) 4．MEMS 加速度計(jì)應(yīng)用前景分析 5．用 MEMS 加速度計(jì)測(cè)量加速度、角度1.1MEMS 簡介隨著 MEMS 技術(shù)的發(fā)展，慣性傳感器件在過去的幾年中成為最成功，應(yīng)用最 廣泛的微機(jī)電系統(tǒng)器件之一，而微加速度計(jì)（microaccelerometer）就是慣性傳 感器件的杰出代表。 微加速度計(jì)的理論基礎(chǔ)就是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理 原理加速度計(jì)芯片，在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部，速度是無法測(cè)量的，但卻可以測(cè)量其加速度。如果初速 度已知，就可以通過積分計(jì)算出線速度，進(jìn)而可以計(jì)算出直線位移。結(jié)合陀螺儀 （用來測(cè)角速度），就可以對(duì)物體進(jìn)行精確定位。

根據(jù)這一原理，人們很早就利 用加速度計(jì)和陀螺進(jìn)行輪船，飛機(jī)和航天器的導(dǎo)航，近年來，人們又把這項(xiàng)技術(shù) 用于汽車的自動(dòng)駕駛和導(dǎo)彈的制導(dǎo)。 汽車工業(yè)的迅速發(fā)展又給加速度計(jì)找到了新 的應(yīng)用領(lǐng)域，汽車的防撞氣囊（Air Bag）就是利用加速度計(jì)來控制的。 作為最成熟的慣性傳感器應(yīng)用，現(xiàn)在的 MEMS 加速度計(jì)有非常高的集成度， 即傳感系統(tǒng)與接口線路集成在一個(gè)芯片上。本文將就微加速度計(jì)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)， 并對(duì)其進(jìn)行理論分析。1.2 微加速度計(jì)的類型1.2.1 壓阻式微加速度計(jì) 壓阻式微加速度計(jì)是由懸臂梁和質(zhì)量塊以及布置在梁上的壓阻組成，橫梁和 質(zhì)量塊常為硅材料。當(dāng)懸臂梁發(fā)生變形時(shí)，其固定端一側(cè)變形量最大，故壓阻薄 膜材料就被布置在懸臂梁固定端一側(cè)（如圖1所示）。當(dāng)有加速度輸入時(shí)，懸臂 梁在質(zhì)量塊受到的慣性力牽引下發(fā)生變形，導(dǎo)致固連的壓阻膜也隨之發(fā)生變形， 其電阻值就會(huì)由于壓阻效應(yīng)而發(fā)生變化，導(dǎo)致壓阻兩端的檢測(cè)電壓值發(fā)生變化， 從而可以通過確定的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出輸入加速度與輸出電壓值的關(guān)系。 壓電式微 加速度計(jì)是最早出現(xiàn)的微加速度計(jì)， 其優(yōu)點(diǎn)是： 結(jié)構(gòu)簡單， 芯片的制作相對(duì)容易， 并且接口電路易于實(shí)現(xiàn)。

其缺點(diǎn)是：溫度系數(shù)比較大，對(duì)溫度比較敏感；和其他 原理微加速度計(jì)相比，其靈敏度比較低，蠕變和遲滯效應(yīng)比較明顯。圖1：壓阻式微加速度計(jì)原理圖1.2.2 電容式微加速度計(jì) 電容式微加速度計(jì)是最常見的，也有成熟推廣的產(chǎn)品。其基本原理就是將電 容作為檢測(cè)接口， 來檢測(cè)由于慣性力作用導(dǎo)致慣性質(zhì)量塊發(fā)生的微位移。質(zhì)量塊 由彈性微梁支撐連接在基體上，檢測(cè)電容的一個(gè)極板一般配置在運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊 上，一個(gè)極板配置在固定的基體上。圖2所示為典型的三明治結(jié)構(gòu)的平板電容式 微加速度計(jì)。還有AD 公司開發(fā)的電容式微加速度計(jì)采用梳齒陣列電容作為檢測(cè) 接口。電容式微加速度計(jì)的靈敏度和測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、溫度漂移小、功耗 極低，而且過載保護(hù)能力較強(qiáng)；能夠利用靜電力實(shí)現(xiàn)反饋閉環(huán)控制，顯著提高傳 感器的性能。圖2：電容式微加速度計(jì)示意圖1.2.3 扭擺式微加速度計(jì) 扭擺式微加速度計(jì)的敏感單元是不對(duì)稱質(zhì)量平板，通過扭轉(zhuǎn)軸與基座相連， 基座上表面布置有固定電極，敏感平板下表面有相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)電極加速度計(jì)芯片，形成檢測(cè)電容 (如圖3) 。當(dāng)有加速度作用時(shí)，不對(duì)稱平板在慣性力作用下，將發(fā)生繞扭轉(zhuǎn)軸的 轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)角與加速度成比例關(guān)系，可用下式表示： maL = Kθ （3）式中， a 為輸入加速度；L 為質(zhì)量平板質(zhì)心到支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離；K 為支 撐軸的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)；θ為平板的扭轉(zhuǎn)角。