微加速度计的技术现状和发展趋势

微加速度计的技术现状和发展趋势制作人：张建新学号：110051081概要•主要分四部分：•1微机械系统（MEMS）及微加速度计•2MEMS加速度计行业前景及最新产品介绍•3MEMS加速度计分类及原理介绍•4现阶段的技术难题和发展趋势微电子机械系统就是MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems），MEMS技术是建立在微米、纳米技术基础上的前沿技术，是指对微米、纳米材料进行设计、加工、制造、测控和控制技术。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，MEMS技术创了一个全新领域和产业。微电子机械系统微加速度计•微加速度计作为MEMS的典型研究对象。微加速度计是指加速度计与微电子机械系统（MEMS）相结合的一种用于测量加速度变化量的装置，它通过检测设备在加速度场的作用下产生电容、电阻、电流信号的变化来检测它所嵌入的设备的加速度。相比于普通的加速度计MEMS加速度计具有体积小、质量轻、低成本、功耗低、可靠性好的优点。目前对微加速度计的研究按原理可分为：压电式、电容式、叉指式、扭摆式以及遂穿效应等。其中MEMS电容式微加速度计又具有检测精度高，受温度影响小等优点，备受青睐，成为MEMS加速度计研究领域的重点对象。MEMS加速度计行业前景美国iSuppli发布的MEMS市场调查结果，2013年加速度传感器将成为MEMS市场上最热门的产品，加速度传感器市场2008～2013年将以年均10％的增长率增长，2013年的销售额将达到17亿美元。从价格上看，占据全球50%加速度计市场ST公司的最近推出的高端LIS3DSH传感器于2012年第一季度开始量产，1000件的单位定价1.2美元。它是全球首款推出±2g、±4g、±8g、±16g全量程覆盖三轴线性加速度计，预计出货量将达到16亿颗，而在智能终端这种对性能指标要求不是非常高的领域，价格在早在2008年底就已经跌到1美元以下，并且已经成为智能终端的标准配置。在汽车安全管理系统中，装有安全气囊加速度计的汽车电子控制系统的失败率必须低于50ppm（50/1百万），汽车制造商采用可靠、高性能但相对昂贵的加速度计。例如，电子控制系统中测量横向加速度的加速度计要5美元以上。飞思卡尔的用于一个安全气囊就用6个加速度计传感器。在高铁、民用航空、航天系统、导弹、卫星导航等高尖端领域，加速度计更是不可或缺的器件。微加速度计的最新产品Bosch在2012推出了最新的三轴MEMS加速度计BMA280/BMA255分辨率：14位，封装及尺寸：2*2mmLGA(触点阵列),制作工艺：200mm晶圆，可检测最小加速度数值：0.25milli-g集成了FIFO缓冲区和先进的中断机制噪音仅为：120micro-g/vHz和150micro-g/vHz以最大速率传输数据时电流只有130mA省点模式时功耗甚至可低于10mA接口：SPI(3-or-4wire)和IIC工作温度：-40~+85度特点：目前市场上还没其它2*2mm的加速度计能够保持如此低噪音和高灵敏度VTI单轴模拟输出加速度传感器SCA610-C28H1A技术特征轴数：1轴（水平）带宽：50HZ灵敏度：1.2V/g温漂：±0.6mg/°C量程：±1.7g工作温度-40~125℃输出噪声：直流工作下，最大为5mVRMS供电电源：4.75V~5.25V功耗：4mA主要应用场合：SCA6x0系列加速度计目标市场是汽车行业，所以根据汽车行业的可靠性、稳定性要求所设计、生产和测试的。该系列的加速度计传感器具有显著的负载能力和非常好的冲击耐久性。中国电子科技集团公司第十三研究所研制的MSA009系列量程：±2g~10g量程分辨率：在500Hz下为0.3mg噪声：20μg/Hz带宽（-3db）0-2000可调节非线性：0.8%外形尺寸：10.46*7.65*2.54mm封装：陶瓷封装工作温度：-40~+60℃特点：2011年国内首款MEMS高精度单片式电容硅加速度计，抗2万g高冲击恶劣环境、高性价比产品电容式微加速度计动力学模型•一般来说，MEMS电容式微加速度计的动力学模型示意图如图1.1所示。当没有加速度时，小质量块不动；但是当有加速度时，小质量块就会跟着运动起来，对加速度敏感，模型中k为弹性系数，f为阻尼系数，m为振动块质量，x为可动极板的位移，a为加速度。所以根据牛顿第二定律得22dxdxmkxmadtdt＋f2()()()xsmHsasmsfsk/Q=/,=0.5/nnwkmwmfQ品质因子阻尼因子代入上式且当w时，222()11()()()(/)nnnxsmHjwasjwjwwQwwk由此可以知道当当待测加速度信号a的频率w时质量块位移x与加速度a近似成线性关系。经拉普拉斯变化得系统函数为下式图1.1MEMS微加速度计动力学模型模型示意图nwnw将固有频率电容式微加速度计的电路模型•MEMS电容式微加速度计把质量块的位移x转化成了电容变化信号，然后通过电容信号的检测来实现对微加速度计的加速度信号a的测量，为了防止寄生电容的影响，实际应用中采用串联而成的两个电容敏感单元组成，如图1.2所示，这样得到的差分电容信号为2CCC图1.2电容式微加速度计原理示意图当可动极板处于上下固定极板中间时，两个敏感电容由分析可知电容的变化量为S是极板的有效面积，x0是中间位置的间距，ε是介电常数1200/xxCCCSx1020,xxxxxx001010000/(1)1/1/xSxCSSxCCxxxxxxxx002020000/(1)1/1/xSxCSSxCCxxxxxxxx则总的差分电容为2120000002C(1)(1)2xxxxxCCCCCxxx00xCCx当极板发生运动时因为xx0,可以得到：C则电容变化量为C由此可见，当xx0时，电容变化量与位移x成正比，又有动力学模型分析得知，当待测加速度信号a的频率wwn(微加速度计的固有频率)时位移x与加速度a成正比，由此可知通过测量电容变化就能测量加速度a.Cx压阻式微加速度计的原理•压阻式微加速度计主要利用压电效应产生电阻值的变化来测量加速度。它的基本结构由悬臂梁和质量块以及布置在横梁上的压阻组成，在加速度场中，当悬臂梁在质量块的惯性力的牵引下发生形变，由于压阻布置在悬臂梁的固定端，所以压阻膜也随之发生变形。由于压阻膜形变可以转化成压阻值的变化。所以在压阻两端可以检测到电压值变化。然后通过确定的数学模型推导出输入加速度与输出电压之间的关系，压阻式微加速度计的示意图如下图所示图1.3压阻式微加速度计的示意图扭摆式微加速度计•扭摆式微加速度计是在加速度信号输入时，在惯性力的作用下，硅制平板绕其挠性轴旋转一个角度，该角度值与输入的加速度a成正比关系。同时，硅制平板旋转一个角度会引起检测电容的变化。电容的变化与角度也是成正比关系，所以测量的加速度信号与引起的电容成正比关系，通过测量电容的变化计算出加速度a.图1.4扭摆式微加速度计示意图隧道式微加速度计•隧道效应就是平板电极和隧道针尖电极距离达到一定的条件,可以产生隧道电流，通过检测隧道电流变化量来间接检测加速度值。隧道式微加速度计常用悬臂梁或者双端固支梁支撑惯性质量块,质量块在惯性力的作用下,位置将发生偏移,这个偏移量直接影响到隧道电流的变化，系统的典型结构示意图如下所示。图1.5隧道式微加速度计的示意图现阶段微加速度计发展难题•1、微结构的振动质量块比较小,产生的输出信号非常微弱,基本上与机械噪声以及电噪声同数量级,因此弱电量检测以及噪声抑制成为提高加速度计性能的难题。•2、微加速度计的迟滞效应，微加速度计在冷启动后其输出会经历数分钟时间才会稳定，这种漂移量称为启动漂移。他混合了时漂和温漂，漂移量为全量程0.02%-0.2%。启动过程中微加速度计产生变化的因素有芯片自身的发热、驱动和检测电路的发热致表芯的发热传导和检测电路的发热导致电路参数的漂移。最近清华大学通过内嵌一个25℃阻值为100K的NTC热敏电阻可以有效抑制启动温度漂移。•3、对于一体化结构的多轴加速度计如何解决轴间耦合将会是多轴加速度计设计的一个难题。•4、MEMS微加速度计敏感和较脆弱的特点，当外部的剧烈振动对加速度计产生如粘附失效、断裂失效等灾难性的影响，抗冲击性是难点之一。•5、体硅工艺的限制，敏感质量的厚度有限，加速度计沿径向自由度量程、刚度和气膜阻尼系数均较低微加速度计的进展与展望•1、高分辨率和高抗冲击的微硅加速度计成为研究的重点。•2、温漂、迟滞效应小成为新的性能目标,•3、多轴、高g值加速度计的开发成为新的方向。传统多轴加速度计是由多个单轴组装而成，所以结构稳定性差、体积大、成本高，所以一体化结构的多轴加速度计研究将成为重点。•4、9加速度计无陀螺惯导系统•6、数字化输出和具有通信能力的微弱信号集成电路。能够检测aF()量级变化的微弱信号。•7、高精度的多轴集成微静电悬浮式加速度计的研究•8、微加速度计Sigma-Delta（ΣΔ）接口电路的设计。•9、SOI（单晶硅结构层的绝缘体上硅）工艺微加速度计逐渐称为研究热点•10、CMOS工艺的多轴加速度计，西班牙巴赛罗纳的初创公司BaolabMicrosystemsSL2012.5宣布在CMOS晶圆金属互连层中开发出微机电系统(MEMS)元件1310总结微加速度计优点有稳定度高、体积小、灵敏度高等，但仍然还有很多需要攻克的难题，他除了拥有着巨大的商业背景，更有着巨大的军事价值。现在各国都将高性能微加速度计研制中的关键技术列为高度机密。所以值得我们去关注。如果您对这个方面感兴趣，下面提供一个专业网站提供最新MEMS的动态：，同时在此给出目前全球排名前五的微加速度计公司1、意法半导体(STMicroelectronics,简称ST,2011占有加速度计50%市场)、ADI、飞思卡尔（Freescale）、Bosch、Maxim。国内企业中北京青鸟元芯、无锡美新半导体占据领先地位。谢谢！