加速计重庆大学

重庆大学微系统研究中心1MEMS加速度计2020年6月7日重庆大学微系统研究中心2应用领域•机械特性检测•土木结构状态监测•汽车•机器人•自动化•地震记录•汽车•结构主动控制•卫星导航•武器制导•玩具•……重庆大学微系统研究中心3加速度计的精度与价格重庆大学微系统研究中心4MEMS加速度计的特点•尺寸小•重量轻•成本低•易集成•功耗小•……据专家预测，MEMS加速度计在不久的将来有可能独占中低精度的加速度计市场的潜力。重庆大学微系统研究中心5基本原理makxxcxmrrrm加速度测量方向读出传感器壳体检测质量阻尼器弹簧质量块运动方程无阻尼固有频率mk0mkc221Q拉氏变换得传递函数的幅值和相位分别为202220)/()(1)()()(QAXHr22001tanQ阻尼比品质因子重庆大学微系统研究中心6基本原理•传递函数幅值由图可见，为提高灵敏度，需要降低固有频率。降低固有频率有两个方案：降低刚度或增大质量。重庆大学微系统研究中心7基本原理•在单位阶跃加速度作用下的响应为0100)(ttta由图可见，对于开环加速度传感器，为提高响应速度，传感器应该具有较大的阻尼比（即小品质因子）。若采用力反馈控制，由于相对位移基本被控制在零位，可以采用小阻尼或大品质因子。其中重庆大学微系统研究中心8加速度计的性能指标•量程•灵敏度：降低刚度增加质量•动态范围提高加速度计的固有频率，但这与提高灵敏度有矛盾。•反应时间提高固有频率重庆大学微系统研究中心9工作原理•压阻式•压电式•电容式•谐振式•隧穿式•热对流式•……重庆大学微系统研究中心10半导体的压阻效应（piezoresistivity）•电阻为电阻率取，得重庆大学微系统研究中心11半导体的压阻效应(piezoresistivity)•金属应变片(电阻率不随应变而变化)应变灵敏度系数1～2（即）•对晶体材料，电阻率与应变有关，定义压阻系数：表示单位应力电阻率的相对变化，则应变灵敏度系数为重庆大学微系统研究中心12半导体的压阻效应常用压阻材料：p+或n+多晶硅金属重庆大学微系统研究中心13压阻式加速度计–读出电路非常简单–压敏电阻制作难度大–温度系数大–灵敏度不高重庆大学微系统研究中心14压阻式加速度计（一）重庆大学微系统研究中心15压阻式加速度计（一）重庆大学微系统研究中心16压阻式加速度计（一）重庆大学微系统研究中心17压阻式加速度计（一）重庆大学微系统研究中心18压阻式加速度计（二）重庆大学微系统研究中心19压阻式加速度计（二）重庆大学微系统研究中心20压阻式加速度计（三）重庆大学微系统研究中心21压阻式加速度计（三）重庆大学微系统研究中心22压阻式加速度计（三）重庆大学微系统研究中心23压阻式加速度计（三）重庆大学微系统研究中心24半导体的压电效应(piezoelectricity)•压电效应是居里夫妇于1880年发现的•压电效应：某些材料在机械力作用下产生变形,会引起表面带电的现象,而且其表面电荷密度与应力成正比重庆大学微系统研究中心25半导体的压电效应施加力F3时，产生电荷电压为更完整的表达式其中分别为应力、应变、场强和电位移；分别为刚度矩阵、介电常数矩阵和压电常数矩阵重庆大学微系统研究中心26半导体的压电效应•常用压电材料石英晶体PZTZnO……重庆大学微系统研究中心27压电式加速度计–结构简单–无法测直流（常加速度）–温度系数较大重庆大学微系统研究中心28•ZnO压电层压电式加速度计（一）重庆大学微系统研究中心29压电式加速度计（一）重庆大学微系统研究中心30压电式加速度计（一）重庆大学微系统研究中心31压电式加速度计（二）重庆大学微系统研究中心32压电式加速度计（三）重庆大学微系统研究中心33压电式加速度计（三）重庆大学微系统研究中心34压电式加速度计（三）重庆大学微系统研究中心35电容式(Capacitor)•运动导致电容的变化重庆大学微系统研究中心36电容0x电容为其中分别为空气的介电常数和两电极的正对面积。电容的变化与位移不成正比，非线性较强。电容的相对变化为令若初始偏移为,则当时,00bLCd0xL00xxCCL线性度比较好。梳齿电容器的电容与位移的线性度很好，得到广泛的应用。重庆大学微系统研究中心37电容式加速度计–敏感器件制作简单–不受温度影响–读出电路复杂–易受寄生参数影响–非线性重庆大学微系统研究中心38电容式加速度计（一）重庆大学微系统研究中心39电容式加速度计（一）重庆大学微系统研究中心40电容式加速度计（一）重庆大学微系统研究中心41电容式加速度计（一）重庆大学微系统研究中心42电容式加速度计（二）重庆大学微系统研究中心43电容式加速度计（二）重庆大学微系统研究中心44电容式加速度计（二）重庆大学微系统研究中心45电容式加速度计（三）重庆大学微系统研究中心46电容式加速度计（三）重庆大学微系统研究中心47电容式加速度计（三）重庆大学微系统研究中心48电容式加速度计（四）重庆大学微系统研究中心49•边缘场影响电容式加速度计（四）重庆大学微系统研究中心50电容式加速度计（四）重庆大学微系统研究中心51电容式加速度计（四）重庆大学微系统研究中心52谐振式（Resonator）•运动方程•无阻尼频率•有阻尼频率其中•当质量、刚度、阻尼改变时，系统的频率随之变化，反之，可由频率的变化反推这些物理量的变化•刚度改变可由附加物质、边界条件和内应力引起•质量和阻尼的变化可由附加物质、外部环境引起mxcxkxF12kfm21Dff4cmf重庆大学微系统研究中心53弯曲频率随轴力的变化•轴力导致梁或膜弯曲刚度的变化，进而引起弯曲频率的变化•矩形截面的两端固支梁在轴力N左右下的弯曲频率为•其中w、h和l分别为梁的宽度、厚度和长度，E和分别为材料的弹性模量和泊松比，n表示频率的阶数，表示第n阶无轴力频率，其值为•系数和见下表ν)hl)(ν(ΕwhΝγ)(ω(Νωnnn2110))(ωn0)1(120222Elh)(ωnnnγn重庆大学微系统研究中心54两端固支梁频率计算系数模态14.7300.294927.8540.1453311.000.08119414.140.05155517.280.03553nnγ重庆大学微系统研究中心55谐振式加速度计•（可用电阻热激振和压阻感知）–直接数字输出–潜在的高精度：电漂移和热噪声影响小m振梁a重庆大学微系统研究中心56谐振式加速度计(一)重庆大学微系统研究中心57谐振式加速度计(一)重庆大学微系统研究中心58谐振式加速度计（二）重庆大学微系统研究中心59谐振式加速度计（二）重庆大学微系统研究中心60谐振式加速度计（二）重庆大学微系统研究中心61谐振式加速度计（二）重庆大学微系统研究中心62谐振式加速度计（二）重庆大学微系统研究中心63•基于热激励和压阻感知•工作原理谐振式加速度计（三）传感器照片激振与检测部分重庆大学微系统研究中心64•质量块400um×400um，弹性支承梁30um×130um，铰4um×8um，感知与激励梁200um×3um。•结构一阶频率约17kHz。•空气中的品质因子约100，在0.01mbar下的品质因子约为60000。谐振式加速度计（三）重庆大学微系统研究中心65•第一个样品灵敏度约70Hz/g，带宽10kHz，分辨率0.1g；•第二个样品灵敏度约45Hz/g。谐振式加速度计（三）重庆大学微系统研究中心66隧穿式（Tunneling）•在一定的电压作用下，隧穿电流为其中为归一化电流，为隧道势垒高度，为隧尖到电极之间的距离，为转换系数。•可根据隧穿电流检测隧尖与电极之间的距离。•典型初始间距约1nm，间距变化0.01nm时，隧道电流的相对变化量达4.5%。0Iz重庆大学微系统研究中心67隧道加速度计–极高的灵敏度–低频噪音大（1/f噪声）–必须闭环工作（工艺难度、线性度、量程）–重复性、一致性差ma硅尖重庆大学微系统研究中心68隧道加速度（一)重庆大学微系统研究中心69隧道加速度（一)重庆大学微系统研究中心70隧道加速度（一)重庆大学微系统研究中心71隧道加速度（二)重庆大学微系统研究中心72隧道加速度（三)重庆大学微系统研究中心73隧道加速度（三)重庆大学微系统研究中心74隧道加速度（三)重庆大学微系统研究中心75隧道加速度（四)重庆大学微系统研究中心76隧道加速度（四)重庆大学微系统研究中心77隧道加速度（四)重庆大学微系统研究中心78隧道加速度（四)重庆大学微系统研究中心79隧道加速度（五)重庆大学微系统研究中心80•PekingUniversity•800mV/g隧道加速度（六)重庆大学微系统研究中心81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气腔重庆大学微系统研究中心82热对流式加速度计•MEMSIC•应用于较低频率重庆大学微系统研究中心83总结•介绍了压阻、压电、静电、谐振、隧道等多种感知原理•以及基于多种感知原理的加速度传感器•特点、工艺、设计优化