【2017年整理】十五MEMS传感器.ppt

第15章 MEMS传感器 15.1 概 述 15.2 MEMS传感器分类 15.3 MEMS加速度计 15.3.1 压阻式MEMS加速度计 15.3.2 电容式MEMS加速度计 15.3.3 静电力平衡式MEMS加速度计 15.3.4 石英振梁式MEMS加速度计 15.3.5 隧道效应MEMS加速度计 15.4 MEMS陀螺 15.4.1 石英音叉MEMS振动陀螺仪 15.4.2 MEMS硅双框架振动陀螺仪 15.4.3 MEMS硅梳状驱动振动陀螺仪 15.4.4 MEMS静电陀螺仪 15.5 MEMS传感器的信号调理 15.5.1 MEMS压阻式传感器的信号调理 15.5.2 MEMS电容式传感器的信号调理 15.5.3 MEMS谐振式传感器的信号调理,,,,,,15.1 概 述 MEMS这个词是Microelectromechanical System的缩写，通常称为微型机电系统。

微型机电系统(MEMS)是指可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统15.2 MEMS传感器分类 通过MEMS加工技术制备的新一代传感器件，具有小型化、集成化的特点1)可以极大地提高传感器性能在信号传输前就可放大信号，从而减少干扰和传输噪音，提高信噪比；在芯片上集成反馈线路和补偿线路，可改善输出的线性度和频响特性，降低误差，提高灵敏度2)具有阵列性可以在一块芯片上集成敏感元件、放大电路和补偿线路可以把多个相同的敏感元件集成在同一芯片上3)具有良好的兼容性，便于与微电子器件集成与封装4)利用成熟的硅微半导体工艺加工制造，可以批量生产，成本非常低廉 MEMS传感器没有统一的分类方法，按照目前的MEMS传感器产品和研究情况，本书将目前的MEMS传感器分为十类，包括微机械加速度传感器、微机械角速度传感器、微型压力传感器、微型磁传感器、微型热传感器、微型气敏传感器、微型光传感器、微型电场传感器、微型生物传感器、微型化学传感器等，本章将介绍常见的MEMS加速度计与MEMS陀螺。

15.3 MEMS加速度计 加速度计在许多不同的领域均有应用，例如：配有气囊的汽车、航海器、心房脉动探测器、机器监控等由于MEMS加速度计在许多设计中，能减小费用/批量、改善性能，因此正飞速地开辟新的应用领域MacDonald和Giachino都对MEMS加速度计在汽车领域的应用作了很好的综述MEMS加速度计又称硅加速度计，它感测加速度的原理仍与一般的加速度计相同根据读取元件的不同，微机械加速度计又有压阻式、电容式、静电平衡式和石英振梁式之分15.3.1 压阻式MEMS加速度计 硅制检测质量由单挠性臂或双挠性臂支承，在挠性臂处采用离子注入法形成压敏电阻压阻式加速度计原理结构如图所示其工作原理为：当有加速度a输入时，检测质量受到惯性力作用产生偏转，并在挠性臂上产生应力，使压敏电阻的电组织发生变化，从而提供一个正比于输入加速度的输出信号经过20年的研究和开发，关于压阻式加速度传感器的设计已经形成了一套比较成熟的理论体系，它具有加工艺简单，测量方法易行，线性度好等优点，已经于 80年代末得到广泛应用但是，压阻式加速度传感器有两个很严重的缺点：温度效应严重；灵敏度较低，一般只能到1mg（即）。

通过温度控制电路可以对温度效应进行补偿，但提高灵敏度方面难度很大15.3.2 电容式MEMS加速度计 电容式MEMS加速度计类似压阻式加速度计，区别是在检测质量下面设置一个读取电极，而不是注入压敏电阻组成结构原理如图所示其工作原理为：当加速度输入使检测质量偏转时，由读取电极与检测质量所构成电容器的电容量发生变化，从而提供一个正比于输入加速度的输出信号为了提高测量灵敏度，可采用差动电容式方案差动电容式加速度计的组成结构如图所示其工作原理为硅制检测质量由双挠性臂或四挠性臂支承，在检测质量两侧的仪表壳体上各设置一个电极在硅制检测质量的表面上也需要进行金属化处理，它与二个电极之间便形成具有公共电极的二个电容器 当加速度输入使检测质量偏转（对双挠性臂支承方案）或平移（对四挠性臂支承方案）时，两个电容器的电容量发生差动变化，从而提供一个正比于输入加速度的输出信号电容式加速度传感器具有温度效应小，灵敏度相对较高，可达0.01mg (即)，加工工艺不复杂等优点，也是目前应用很广泛的一种加速度传感器，缺点在于，需要测量小电容，因而测试方法复杂，同时，由于分布电容和电磁干扰的影响，测试精确度不高。

改进的方法是，在传感器与测试电路之间加入前置电路以去除干扰15.3.3 静电力平衡式MEMS加速度计 压阻式或电容式微机械加速度计均是开环工作方式当沿输入轴的加速度使检测质量产生偏转时，还将敏感沿交叉轴的加速度而引起交叉耦合误差，影响加速度计的测量精度采用闭环工作方式可以克服这一不足静电力平衡式MEMS加速度计即属于此种类型它利用力平衡回路产生的静电力（或力矩）来平衡加速度引起的作用在检测质量上的惯性力（或力矩）施加在用以产生静电力（或力矩）的电极上的控制电压，可作为输入加速度的量度其基本结构与上述差动电容式相同，但增加了一个静电力平衡回路图为静电平衡式加速度计原理结构图每个电极静电吸引力的大小都与所施加的电场强度的平方成正比由于静电力平衡回路具有足够高的增益，检测质量的偏角极小，即极板的间隙变化极小时，静电力矩便平衡了惯性力矩，故可以近似认为每个电极静电吸引力之矩均为所施加的电压的平方成正比据此得到静电力矩的大小为 ，式中，k为系数，它取决于介电常数、电极的几何形状及极板的初始间隙将 和 带入上式，可得 ，静电力矩的方向恰与惯性力矩的方向相反，它具有恢复力矩的性质。

当静电力平衡回路到达稳态时，有 ，于是得到 这表明，如果把控制电压 作为输出，则该输出电压与输入加速度a成正比15.3.4 石英振梁式MEMS加速度计 在石英振梁MEMS加速度计中，利用石英振梁或者称谐振器作为力的监测元件石英振梁是在晶片上采用光刻工艺加工而成长而薄的石英晶体以一定的频率振动，其谐振频率取决于它的几何形状和物理特性如果晶体不受力时以某一谐振频率振动，则在受拉力作用时频率将增大，受压力作用时频率减小当有加速度输入时，加速度计中检测质量的惯性力将作用在谐振器上，使谐振频率上升或下降 石英振梁式MEMS加速度计可获得较高的测量精度它有单振梁和双振梁两种结构形式为了改善加速度计的偏置稳定性和信噪比，通常采用双振梁即双谐振器结构形式石英振梁式MEMS加速度计的工作原理：假定无加速度输入时，两个谐振器的谐振频率相等，均为 当有加速度输入时，检测质量的惯性力使其中一个谐振器受拉力作用，并使另一个谐振器受压力作用于是，前者的谐振频率上升，从 增到 ；后者的谐振频率下降，从 减至 两个谐振器的频率之差（ - ）与输入加速度a成正比。

从这种加速度计可以直接获得导航系统所需要的速度增量信息速度增量的计算公式为 ，式中K是刻度系数；N1和N2分别是一个采样周期T内两个谐振器输出累积的计数可表示为 ， ；因此速度增量公式可以写成 ，即可得到加速度15.3.5 隧道效应MEMS加速度计 硅层通过静电键合支撑在底层玻璃片上检验质量、隧道尖电极和悬臂梁都制作在硅片上通过双面腐蚀制作出的检验质量与硅片等厚,表面尺寸为2ｍｍ×2ｍｍ为了减小偏轴误差,分别在检验质量的两面各制作了一组支撑悬臂梁每组悬臂梁由四个折叠的浓硼掺杂硅梁组成在隧道硅尖上溅射上Ｃｒ/Ｐｔ/Ａｕ多层金属作为隧道电极.铬金属层为黏附层,用来增加硅和金属层的黏附性铂金属层为阻挡层,用来阻挡铬原子向金表面迁移铬原子迁移到表面就会迅速氧化,从而使隧道效应失效金是隧道电极的理想金属,因为它不与环境中的气体分子发生反应底层玻璃片是硅结构层和上层玻璃片的支撑层,在其上面制作有两个金属电极1个电极为第2个隧道电极,另一个电极为下偏转电极上层玻璃片键合在硅片上,制作有保护电极。

所有的电极都是Ｃｒ/Ｐｔ/Ａｕ多层金属电子隧道加速度传感器的工作原理和ＳＴＭ（扫描隧道显微镜）一样，隧道式加速度计原理结构图如图左所示图右为隧道式加速度计原理电路图利用隧道效应做加速度传感器，可以得到极高的灵敏度，大约在左右；而且由于是电流检测，抗干扰能力很强，温度效应小；由于质量块的机械活动范围小，因而其线性度高，可靠性好，是加速度传感器在高灵敏度，高可靠性方面应用的一个典型代表，也是加速度传感器发展的一个重要方向，成为目前加速度传感器研究的热门之一而由于其精密性，造成了加工难度大的困难，成品率不高隧道加速度计自出现以来显示了巨大前景今后的研究主要关注于提高灵敏度，降低工作电压等方面理论上由于器件尺寸缩小，热噪声变得不可忽视，关于噪声的理论研究越来越重要15.4 MEMS陀螺 陀螺是一种用于测量旋转速度或旋转角的仪器它在运输系统，例如导航、刹车调节控制和加速度测量等方面有很多应用传统的陀螺可分成两类：光学式和机械式光学式陀螺利用光环使光束在相反方向旋转当陀螺结构旋转时，检测光束的多普勒位移机械式陀螺通常使用振动结构，尤其是MEMS陀螺仪基本原理是依赖哥氏加速度的产生和探测。

目前MEMS陀螺仪作为世界上微型陀螺仪的发展方向，受到广泛而密切的关注，这里就MEMS陀螺仪进行介绍MEMS陀螺仪是一种很特殊的振动加速度计，专门测量哥氏（Coriolis）加速度所有振动陀螺仪的基本工作原理依赖哥氏加速度的产生和探测图为MEMS陀螺仪基本原理一个最基本的振动陀螺仪包括一个处于悬浮状态的检测质量块，可以在两个正交方向上移动这个质量块必须运动才能产生哥氏加速度这样，质量块就会在一个平行于表面方向（图的左右方向）上振动如果陀螺仪绕垂直于表面方向的轴转动，那么哥氏加速度会导致质量块沿另一个方向（图中的上下方向）偏转其中振动的振幅与旋转的角速度成正比，所以几乎和加速度计一样的电容传感器就得到了一个和角速度成比例的电压值尽管这看起来很简单，但是制作一个有效的MEMS陀螺仪还是需要很高的技术。