MEMS加速度計(jì)的原理及運(yùn)用說(shuō)課材料

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。MEMS加速度計(jì)的原理及運(yùn)用-MEMS加速度計(jì)的原理及運(yùn)用高鵬黃國(guó)勝200612.19目錄1.MEMS加速度計(jì)基本原理分析1.1MEMS簡(jiǎn)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1.4MEMS微加速度計(jì)的制造工藝1.5MEMS微加速度計(jì)主要性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)和控制1.6MEMS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2MEMS加速度計(jì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀3微加速度計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)4MEMS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.

2、1MEMS簡(jiǎn)介隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，慣性傳感器件在過(guò)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，在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部，速度是無(wú)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(guò)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(lái)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(lái)，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

3、，汽車的防撞氣囊（AirBag）就是利用加速度計(jì)來(lái)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

4、發(fā)生變化，從而可以通過(guò)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(jiǎn)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(jiàn)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(lái)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

5、平板電容式微加速度計(jì)。還有AD公司開(kāi)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(guò)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(guò)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，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=K（3）式中，a為輸入加速度；L為質(zhì)量平板質(zhì)心到支撐

6、軸轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離；K為支撐軸的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)；為平板的扭轉(zhuǎn)角。圖3：扭擺式微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)當(dāng)質(zhì)量平板發(fā)生偏移時(shí)，可以利用電容的靜電力來(lái)調(diào)節(jié)平板的偏轉(zhuǎn)角度，提高系統(tǒng)的測(cè)量范圍，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。其基本特點(diǎn)與電容式類似。1.2.4隧道式微加速度計(jì)隧道效應(yīng)就是平板電極和隧道針尖電極距離達(dá)到一定的條件，可以產(chǎn)生隧道電流。由J.G.Simmons推導(dǎo)的隧道電流和針尖與下電極之間的距離關(guān)系可以描述為：IVexp(-kx)（4）式中，V為施加在電極兩端的電壓；為有效勢(shì)壘高度；x為電極間隙；k為常數(shù)。這樣可以看出，隧道電流與極板之間的間隙x呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。隧道式微加速度計(jì)常用懸臂梁或者雙端固支梁支撐慣性質(zhì)量塊，

7、質(zhì)量塊在慣性力的作用下，位置將發(fā)生偏移，這個(gè)偏移量直接影響到隧道電流的變化，通過(guò)檢測(cè)隧道電流變化量來(lái)間接檢測(cè)加速度值。系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。圖4：隧道式微加速度計(jì)原理示意圖隧道式微加速度計(jì)具有極高的靈敏度，易檢測(cè)，線性度好，溫漂小，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。但是由于隧道針尖制作比較復(fù)雜，所以其工藝比較困難。還有其他一些新型加速度計(jì)，譬如基于熱阻抗原理的熱加速度計(jì)，也具有很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1.3差分電容式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)模型及其工作原理電容式MEMS加速度計(jì)是加速度計(jì)中的工作靈敏度較高的一種，也是使用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)。因此這里分析MEMS加速度計(jì)的時(shí)以電容式加速度計(jì)為例。1.3.1MEMS

8、微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)模型采用質(zhì)量塊-彈簧-阻尼器系統(tǒng)來(lái)感應(yīng)加速度，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖中只畫(huà)出了一個(gè)基本單元。它是利用比較成熟的硅加工工藝在硅片內(nèi)形成的立體結(jié)構(gòu)（圖5只給出其剖面示意圖）。圖中的質(zhì)量塊是微加速度計(jì)的執(zhí)行器，與質(zhì)量塊相連的是可動(dòng)臂；與可動(dòng)臂相對(duì)的是固定臂?？蓜?dòng)臂和固定臂形成了電容結(jié)構(gòu)，作為微加速度計(jì)的感應(yīng)器。其中的彈簧并非真正的彈簧，而是由硅材料經(jīng)過(guò)立體加工形成的一種力學(xué)結(jié)構(gòu)，它在加速度計(jì)中的作用相當(dāng)于彈簧。圖5：微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。1.3.2MEMS微加速度計(jì)的工作原理加速度計(jì)的工作原理可概述如下：當(dāng)加速度計(jì)連同外界物體（該物體的加速度就是待測(cè)的加速度）一起加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊就

9、受到慣性力的作用向相反的方向運(yùn)動(dòng)。質(zhì)量塊發(fā)生的位移受到彈簧和阻尼器的限制。顯然該位移與外界加速度具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系：外界加速度固定時(shí)，質(zhì)量塊具有確定的位移；外界加速度變化時(shí)（只要變化不是很快），質(zhì)量塊的位移也發(fā)生相應(yīng)的變化。另一方面，當(dāng)質(zhì)量塊的發(fā)生位移時(shí)，可動(dòng)臂和固定臂（即感應(yīng)器）之間的電容就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化；如果測(cè)得感應(yīng)器輸出電壓的變化，就等同于測(cè)得了執(zhí)行器（質(zhì)量塊）的位移。既然執(zhí)行器的位移與待測(cè)加速度具有確定的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，那么輸出電壓與外界加速度也就有了確定的關(guān)系，即通過(guò)輸出電壓就能測(cè)得外界加速度。圖6：（a）執(zhí)行器的力學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖，（b）感應(yīng)器的電學(xué)原理圖。具體地說(shuō)，以Vm表示輸入電壓

10、信號(hào)，Vs表示輸出電壓，Cs1與Cs2分別表示固定臂與可動(dòng)臂之間的兩個(gè)電容（見(jiàn)圖6），則輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間的關(guān)系可表示為：（5）其中電容與位移之間的關(guān)系由電容的定義給出：（6）其中x是可動(dòng)臂（執(zhí)行器）的位移，d是沒(méi)有加速度時(shí)固定臂與懸臂之間的距離。由（6）式和（5）式可得（7）根據(jù)力學(xué)原理，穩(wěn)定情況下質(zhì)量塊的力學(xué)方程為：（8）k為彈簧的勁度系數(shù)，m為質(zhì)量塊的質(zhì)量。因此，外界加速度與輸出電壓的關(guān)系為：（9）可見(jiàn)，在加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)和輸入電壓確定的情況下，輸出電壓與加速度呈正比關(guān)系。1.4MEMS微加速度計(jì)的制造工藝以往的加速度計(jì)都是利用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法制造的，但是這種加速度計(jì)的體積大、分量重

11、，應(yīng)用場(chǎng)合受到很大限制，MEMS技術(shù)制造的微加速度計(jì)克服了這些缺點(diǎn)。這里以COMSMEMS加工技術(shù)為例，其加工流程大體如下：如圖7所示，經(jīng)過(guò)CMOS澆鑄工藝之后就得到如圖7(a)的效果，再用CHF3/O2進(jìn)行各向異性的反應(yīng)離子刻蝕（reactiveionetch，即RIE）腐蝕掉外層氧化物，得到如圖7(b)所示的效果，接下來(lái)用SF6/O2來(lái)腐蝕體硅，便從襯底上得到微結(jié)構(gòu)，即如圖7(c)所示的效果。圖7：CMOS-MEMS加工工藝流程圖：（a）經(jīng)過(guò)MOS工藝加工后；（b）經(jīng)過(guò)介質(zhì)腐蝕工藝后；（c）經(jīng)過(guò)體硅腐蝕工藝后。圖8是微加速度計(jì)工藝完成以后芯片的掃描電子顯微鏡（SEM）照片。圖8：微加速度計(jì)

12、芯片的掃描電鏡（SEM）照片（上）及其局部放大圖（下）。1.5MEMS微加速度計(jì)主要性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)和控制在加速度變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，質(zhì)量塊的位移是時(shí)間的函數(shù)。根據(jù)牛頓第二定律，質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)由下列二次常微分方來(lái)描述（10）其中，k為彈簧的勁度系數(shù)，b為阻尼部件的阻尼因子，aext是外部加速度?？梢?jiàn)，彈簧部件的設(shè)計(jì)和阻尼部件的設(shè)計(jì)對(duì)加速度計(jì)的性能是至關(guān)重要的。1.5.1彈簧勁度系數(shù)的控制對(duì)于彈簧，其構(gòu)造實(shí)際上是如圖9所示的力學(xué)結(jié)構(gòu)。不難分析得到，其勁度系數(shù)為：圖9：彈簧結(jié)構(gòu)示意圖（11）其中，E是楊氏模量，h是彈片的厚度，w是彈片的寬度，l是彈簧結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度。為了得到穩(wěn)定的感應(yīng)器參數(shù)，彈簧的勁度系數(shù)必

13、須嚴(yán)格控制。根據(jù)上面的公式我們可以看出彈簧的勁度系數(shù)正比于彈片寬度的三次方，故這正是控制勁度系數(shù)的關(guān)鍵。因此，應(yīng)盡量保持彈片的寬度各處均勻。1.5.2阻尼因子的控制對(duì)于阻尼器，一般有兩種模式，第一種是結(jié)構(gòu)阻尼，是由結(jié)構(gòu)層之間的摩擦產(chǎn)生的；第二種是空氣粘滯阻尼，是由大氣壓力產(chǎn)生的，它比第一種模式的阻尼能力強(qiáng)得多。一般采用第一種模式；這種結(jié)構(gòu)的阻尼因子一般是由實(shí)驗(yàn)確定的：（12）其中是空氣的有效粘滯系數(shù)，t是可動(dòng)臂的梳指厚度，d是梳指間的間隙寬度，l是梳指長(zhǎng)度。在大氣壓強(qiáng)為760torr，溫度為293K的環(huán)境下，粘滯系數(shù)為1.5610-5kg/m.s。如果圖5基本單元數(shù)為28，則可以計(jì)算得相應(yīng)的阻

14、尼因子為2.710-6kg/s。經(jīng)過(guò)上面的分析，我們可以通過(guò)改變梳指的尺寸和間隙的大小來(lái)控制阻尼因子，從而達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。1.5.3靈敏度的控制感應(yīng)器的靈敏度是微加速度計(jì)中的關(guān)鍵性的技術(shù)指標(biāo)，它是這樣來(lái)定義的，即用輸出電壓與輸入加速度的比值，見(jiàn)下式：（13）其中CP是寄生電容（見(jiàn)圖5）。由上式可得，要提高靈敏度，必須增大質(zhì)量塊的質(zhì)量和調(diào)制電容，或者減小彈簧勁度系數(shù)、梳指間距、以及寄生電容與感應(yīng)電容的比值。既然m與d是由加工工藝決定的，只能通過(guò)調(diào)整k與Vm，才能有效地提高靈敏度。另外，由圖9還可以看到，通過(guò)增加彈簧構(gòu)造中彎折部分的個(gè)數(shù)也可以來(lái)減小k。1.6MEMS加速度計(jì)的其它結(jié)構(gòu)以上是MEM

15、S加速度計(jì)的基本原理分析，至于具體的MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)可通過(guò)不同的工藝及不同的力學(xué)結(jié)構(gòu)和電容結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如從力學(xué)角度看還有雙端支梁式結(jié)構(gòu)和懸梁式結(jié)構(gòu)，如圖10所示：圖10：雙端支梁式結(jié)構(gòu)（左），懸梁式結(jié)構(gòu)（右）通過(guò)材料力學(xué)的分析可同樣推導(dǎo)出加速度與質(zhì)量塊的位移之間的關(guān)系式，從而結(jié)合電容位移與輸出電壓的關(guān)系式，推導(dǎo)出輸出電壓值與加速度之間的關(guān)系。而電容結(jié)構(gòu)來(lái)分析還有把電容做成梳狀的形式，如下圖11所示圖11：梳頭電容結(jié)構(gòu)通過(guò)分析同樣可推導(dǎo)出其電容及其輸出電壓與質(zhì)量塊的位移關(guān)系式。從而結(jié)合加速度與質(zhì)量塊位移的關(guān)系式，推導(dǎo)出輸出電壓與加速度之間的關(guān)系式。1.7各廠商MEMS加速芯片參數(shù)對(duì)比單軸加速

16、度計(jì)的比較：參數(shù)ADXL103SCA610MMA2260D帶寬(Hz)50020-8050靈敏度(V/g)11.21.2測(cè)量范圍(g)1.71.5或1.71.5分辨率(mg)1供電電壓(V)555尺寸(mm)5*5*29*5*1110.3*7.5*3.4功耗(mw)3.51011損傷閾值（g）35002000從上表可以看出，在帶寬上，ADXL103的帶寬比SCA610,MMA2260D大得多，所以ADXL103測(cè)量精度要高于SCA610,MMA2260D；從芯片尺寸上來(lái)看，ADXL103明顯小于SCA610,MMA2260D，有利于提高測(cè)量系統(tǒng)的集成度；從功耗上來(lái)看，ADXL103也比SCA6

17、10,MMA2260D小。三軸加速度計(jì)的比較：參數(shù)ADXL330SCA3000帶寬（Hz)X,Y(0.5-1600)Z(0.5-550)靈敏度(V/g)0.3測(cè)量范圍(g)32分辨率(mg)2供電電壓(V)1.8-3.62.35-2.7尺寸(mm)4x4x1.457.25x6.95x1.7三軸的情況與單軸很相似，總體來(lái)說(shuō)，AD公司在器件性能參數(shù)的各個(gè)方面都做得較VTI好，但價(jià)格也較高。1.8線性度線性度主要是為了使加速度計(jì)有較好的線性輸出，即MEMS芯片輸出的電壓值（模擬或數(shù)字）與芯片受到的加速度值成正比。而事實(shí)上非線性因素是難以避免的，如彈簧的設(shè)計(jì)，阻尼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可變電容結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還有信

18、號(hào)的采集等或多或少都會(huì)產(chǎn)生一些非線性的效應(yīng)。而MEMS加速度計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)就是使這些非線性效應(yīng)降低到能接受的程度。選用適當(dāng)?shù)臋C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，或研究開(kāi)發(fā)一些新型的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)，使實(shí)際器件的模型與理論模型更加接近將對(duì)器件的線性度有較大的提高。另外提高芯片的生產(chǎn)工藝對(duì)改善芯片的線性度也有重要的作用。1.9靈敏度與功耗影響芯片靈敏度取決于芯片的結(jié)構(gòu)與本身產(chǎn)生的噪聲。對(duì)于X軸加速度計(jì)，其X軸的揉度必須大（剛度小，容易變形），而Y軸和Z軸的揉度必須?。▌偠却?，不易變形），以確保Y軸與Z軸的變形不致于影響小加速度對(duì)X軸產(chǎn)生的位移響應(yīng)。這一點(diǎn)必須從機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和芯片加工的工藝上進(jìn)行改善與優(yōu)化。而噪聲的改善

19、則是工藝水平所決定的因素。功耗是影響芯片應(yīng)用范圍的一個(gè)重要因素，要使MEMS芯片市場(chǎng)化，MEMS加速度芯片就應(yīng)該向手持設(shè)備進(jìn)軍，因此必須降低芯片的功耗。這一點(diǎn)必須從芯片電路設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)上下功夫。2.MEMS加速度計(jì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)重大專項(xiàng)的定位是重點(diǎn)研究MEMS器件、集成系統(tǒng)、先進(jìn)制造與測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用?！笆濉逼陂g，專項(xiàng)的工作重點(diǎn)是打基礎(chǔ)，通過(guò)平臺(tái)建設(shè)，掌握MEMS設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、工藝、裝備與系統(tǒng)集成等方面的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，建立我國(guó)的MEMS研發(fā)體系和產(chǎn)業(yè)化基地，同時(shí)研究與開(kāi)發(fā)具有創(chuàng)新性的器件與微系統(tǒng)。目前，專項(xiàng)已突破了若干關(guān)鍵技術(shù)，加工能力和成品率得到很大的提

20、高，為國(guó)內(nèi)的MEMS研發(fā)提供了良好的服務(wù)和平臺(tái)。圍繞醫(yī)療、環(huán)境、石化等行業(yè)，開(kāi)發(fā)出若干小批量、多品種、高質(zhì)量MEMS器件及微系統(tǒng)。若干MEMS器件和微系統(tǒng)達(dá)到實(shí)用化水平，開(kāi)始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。MEMS加速度傳感器、特種壓力傳感器、人體腔道診療微系統(tǒng)、微型血液（生化）檢測(cè)微系統(tǒng)、氣象檢測(cè)微系統(tǒng)等MEMS器件和微系統(tǒng)取得可喜的進(jìn)展，基本達(dá)到實(shí)用化階段，并積極開(kāi)展了多種方式的產(chǎn)業(yè)化工作。此外，在柔性傳感器陣列、微型燃料電池、致冷器、透皮藥物釋放微系統(tǒng)等方面取得創(chuàng)新研究成果，為MEMS的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。針對(duì)國(guó)際微納技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和我國(guó)未來(lái)的產(chǎn)業(yè)化前景，“十一五”將繼續(xù)完善我國(guó)MEMS制造技術(shù)與研發(fā)體

21、系，形成MEMS的自主開(kāi)發(fā)與批量制造能力，部分MEMS器件與微系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。圍繞環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療與健康、公共安全快速檢測(cè)與預(yù)警等國(guó)家需要，研究開(kāi)發(fā)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微納系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造核心技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、關(guān)鍵裝備和單元產(chǎn)品，提升我國(guó)微納系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)和微納制造的核心競(jìng)爭(zhēng)力，并在某些方面進(jìn)入國(guó)際領(lǐng)先水平。而國(guó)外MEMS的技術(shù)水平現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了生產(chǎn)和應(yīng)用化的程度，大量的傳感器公司都投入到MEMS傳感器技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域中（不限于MEMS加速度計(jì)），其發(fā)展水平的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎我們的想象。3微加速度計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)自1977年美國(guó)斯坦福大學(xué)首先利用微加工技術(shù)制作了一種開(kāi)環(huán)微加速度計(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)出了各種結(jié)

22、構(gòu)和原理的加速度計(jì)，國(guó)外一些公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分類型微加速度計(jì)的產(chǎn)品化，例如美國(guó)AD公司1993年就開(kāi)始批量化生產(chǎn)基于平面工藝的電容式微加速度計(jì)。相比之下國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究還存在很多問(wèn)題，有很多共性難題沒(méi)有解決。(1)微結(jié)構(gòu)的振動(dòng)質(zhì)量比較小，產(chǎn)生的輸出信號(hào)非常微弱，基本上與機(jī)械噪聲以及電噪聲同數(shù)量級(jí)，因此弱電量檢測(cè)以及噪聲抑制成為提高加速度計(jì)性能的難題;(2)微結(jié)構(gòu)的遲滯和溫漂是影響微加速度計(jì)精度的重要因素，如何改善結(jié)構(gòu)減小遲滯效應(yīng)，采取措施降低溫漂的影響，是微加速度計(jì)實(shí)用化的重要課題;(3)微加速度計(jì)存在明顯的橫向干擾，如何采用合理的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在各方向解耦，并且通過(guò)合理布置檢測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)橫向干

23、擾的抑制，也是研究的重要內(nèi)容;(4)除了基于半導(dǎo)體平面工藝的特殊結(jié)構(gòu)電容式加速度計(jì)成本較低，利于批量生產(chǎn)外（例如AD公司的微加速度計(jì)系列），其他原理的加速度計(jì)的制作成本相對(duì)較高，不利于批量生產(chǎn);針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)進(jìn)行了充分的研究。采用相關(guān)雙采樣接口電路能提高微弱信號(hào)的檢測(cè)能力，降低電路噪聲干擾。利用靜電力平衡實(shí)現(xiàn)微加速度計(jì)的閉環(huán)控制，提高器件的動(dòng)態(tài)性能，避免支撐梁發(fā)生大形變，降低傳感器的遲滯和非線性影響，提高器件的可靠性。也有學(xué)者采用在線溫度補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微加速度計(jì)溫漂補(bǔ)償。同時(shí)微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步和工藝水平的提高，也給微加速度計(jì)的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。通過(guò)了解國(guó)內(nèi)外微加速度計(jì)的研

24、究動(dòng)態(tài)，分析其研究特點(diǎn)，總結(jié)出微加速度計(jì)以下幾點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì):(1)高分辨率和大量程的微硅加速度計(jì)成為研究的重點(diǎn)。由于慣性質(zhì)量塊比較小，所以用來(lái)測(cè)量加速度和角速度的慣性力也相應(yīng)比較小，系統(tǒng)的靈敏度相對(duì)較低，這樣開(kāi)發(fā)出高靈敏度的加速度計(jì)顯得尤為重要。無(wú)論是民用還是軍事用途，精度高、量程大的微加速度計(jì)將會(huì)大大拓寬其運(yùn)用范圍。(2)溫漂小、遲滯效應(yīng)小成為新的性能目標(biāo)，選擇合適的材料，采用合理的結(jié)構(gòu)，以及應(yīng)用新的低成本溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，能夠大幅度提高微加速度計(jì)的精度。(3)多軸加速度計(jì)的開(kāi)發(fā)成為新的方向。已經(jīng)有文獻(xiàn)報(bào)道開(kāi)發(fā)出三軸微硅加速度計(jì)，但是其性能離實(shí)用還有一段距離，多軸加速度計(jì)的解耦是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。(4)將微加速度計(jì)表頭和信號(hào)處理電路集成在單片基體上，也能夠減小信號(hào)傳輸損耗，降低電路噪聲，抑制電路寄生電容的干擾。(5)選擇合理的工藝手段，降低制作成本，為微加速度計(jì)批量化生產(chǎn)提供工藝路線;同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化微機(jī)電系統(tǒng)工藝，為微加速度計(jì)投片生產(chǎn)提供一套利于操作、重復(fù)性好的工藝方法，也是微硅加速度計(jì)發(fā)展的重要方向。4MEMS加速度計(jì)應(yīng)用前景分析4.1運(yùn)用現(xiàn)狀：（1）MEMS傳感器在汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用（2）MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器在移動(dòng)電話中的應(yīng)用（3）光標(biāo)或游戲機(jī)控制（4）導(dǎo)航（5）磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器保護(hù)（6）MEMS加速度計(jì)在鼠標(biāo)的應(yīng)