加速度傳感器2

2，加速度傳感器ADXL50Accelerometer±50gPolysiliconMEMS&BiCMOS

3x3mmdieADXL50SensingMicrostructureADXL50–blockdiagramADXL50–blockdiagramADXL50-Process大壓力范圍集成MEMS三維觸覺傳感器AnintegratedMEMSthree-dimensionaltactilesensorwithlargeforce（2002）

目前已成功研制許多種觸覺傳感器，為機(jī)械手的遠(yuǎn)程控制和智能機(jī)器人提供觸覺敏感元件。這些觸覺傳感通過檢測(cè)握力的大小，可以產(chǎn)生物體的位置和外形，達(dá)到觸覺成像功能。然而在握住事物的過程中，除了觸覺圖像和正常壓力外，切向力對(duì)于力的控制和消除滑動(dòng)也非常重要。三維觸覺傳感器大致可分為以下幾種：壓阻式、電容式、光學(xué)敏感單元。有一些觸覺傳感器利用MEMS技術(shù)把敏感單元和預(yù)處理電路緊密地集成在一起，但這些傳感器對(duì)大部分應(yīng)用來說太易碎了、強(qiáng)度不夠。例如一個(gè)觸覺成像的電容式傳感器它的壓力范圍僅為0.01N。其他的觸覺傳感器要么體積笨重（像一個(gè)CCD照相機(jī)中的光敏觸覺傳感器）要么精度太低。強(qiáng)度不夠和體積龐大限制了觸覺傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用，特別對(duì)太空機(jī)器人來說。

對(duì)于高成本的太空系統(tǒng)來說，可靠性是非常重要的。因此必須改進(jìn)觸覺傳感的強(qiáng)度以提高元件的可靠性。對(duì)太空發(fā)射來說增加重量就是增加發(fā)射成本，因此觸覺傳感器必須壓縮或集成使質(zhì)量最小和結(jié)構(gòu)緊密?？捎糜谖⑿?納米衛(wèi)星和微型飛行器的太空機(jī)器人。雖然這些微型機(jī)器人并不完全需要微型的傳感器，但毫米級(jí)的三維觸覺傳感器對(duì)目前太空機(jī)器人系統(tǒng)說確實(shí)非常急需的。我們已研究出具有一定強(qiáng)度的MEMS集成三維觸覺傳感器，它具有軟的接觸表面和大的壓力范圍。這種傳感器采用了過載停止設(shè)計(jì)增加抗過載的強(qiáng)度，采用CMOS工藝把壓敏電阻的敏感單元和片帶數(shù)據(jù)讀出電路集成以減少整個(gè)傳感器的體積振動(dòng)式微陀螺儀當(dāng)需要檢測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)方向和姿態(tài)時(shí)常用到陀螺儀即轉(zhuǎn)速計(jì)。陀螺儀按其構(gòu)成原理可分為機(jī)械式、光學(xué)式、氣動(dòng)式和振動(dòng)等類型。這當(dāng)中，振動(dòng)式最適合微型化，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且無旋轉(zhuǎn)部件。近年來，基于微加工技術(shù)制作的振動(dòng)型微陀螺儀的研究報(bào)道很多，并逐步邁向?qū)嵱没?。日本村田制作所的田中研究小組研制出了一種典型的基于表面微加工工藝的微陀螺儀，其結(jié)構(gòu)如圖5-15所示。它的多晶硅諧振子長(zhǎng)800微米（包括兩側(cè)的梁），寬400微米（包括兩側(cè)的梳狀振動(dòng)器），厚度5微米，被4個(gè)梁懸起來，這些梁的終端被錨定在單晶硅上。為了得到大的彎曲振幅，驅(qū)動(dòng)方向是橫向的（在x方向）。振子是靠施加在梳狀操作器上的AC和DC偏置電壓所產(chǎn)生的靜電力來工作的（驅(qū)動(dòng)振動(dòng)模式）。當(dāng)振子沿y軸以角速度Ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的柯氏力F(Coriolisforce，理論上，F(xiàn)=2mvΩ,m為諧振子的質(zhì)量，v為諧振子的橫向振動(dòng)速度)與Ω成比例變化，會(huì)引起振子沿z軸方向上下振動(dòng)（檢測(cè)振動(dòng)模式）。但這種振動(dòng)彎曲很小，一般通過振子和硅板之間的空隙的靜電電容的變化才可以檢測(cè)到。若設(shè)計(jì)的空隙是1微米，為了提高檢測(cè)高靈敏度，需要合理設(shè)計(jì)4個(gè)梁的尺寸，即支撐梁的長(zhǎng)寬高，一般使驅(qū)動(dòng)模式和檢測(cè)模式的響應(yīng)頻率很接近。圖5-15微陀螺儀的構(gòu)造示意圖基于表面微加工技術(shù)制作微陀螺儀的工藝流程如圖5-16所示。一個(gè)檢測(cè)電極，PSG犧牲層（1微米厚）和多晶硅層（5微米厚）被沉積在一片單晶硅上。利用RIE使多晶硅刻蝕成諧振子。犧牲層用氫氟酸濕法腐蝕除去，然后用水飄洗，最后在真空環(huán)境用二甲基二丙醇冷凍干燥。這種冷凍干燥可以避免由于表面張力使振子粘到硅板的現(xiàn)象。用激光位移計(jì)測(cè)量驅(qū)動(dòng)模式的諧振頻率和檢測(cè)模式的諧振頻率，然后用離子研磨來修正兩種模式諧振頻率，這里有選擇性地研磨支撐梁，可使檢測(cè)模式的諧振頻率比驅(qū)動(dòng)模式的減少的更快。圖5-16微陀螺儀制作工藝流程：(a)磷擴(kuò)散，(b)PSG的沉積和型，(c)多晶硅的沉積和成型，(d)腐蝕犧牲層，(e)利用離子研磨進(jìn)行響應(yīng)頻率修整。

圖5-17陀螺儀信號(hào)調(diào)理電路示意圖圖5-17給出了微陀螺儀的測(cè)試系統(tǒng)的原理框圖。在真空中測(cè)試微陀螺儀的輸出特性。給樣品施加5VDC偏置電壓和10Vp-pAC驅(qū)動(dòng)電壓，且兩邊的梳狀微驅(qū)動(dòng)器交替工作（相位相差180度）。使用FET電容——電壓轉(zhuǎn)換器來檢測(cè)出電容的變化。用相位檢測(cè)計(jì)放大和處理C-V轉(zhuǎn)換器的信號(hào)。圖5-18給出了當(dāng)角速度為45deg/s時(shí)，陀螺儀的輸出電壓隨環(huán)境壓強(qiáng)變化的情況，由圖可知，輸出電壓隨著壓強(qiáng)的增加而減小。在較高壓力下輸出電壓的減少是由于空氣的阻尼效應(yīng)，使諧振子的諧振品質(zhì)因數(shù)Q減小所致。特別值得一提的是驅(qū)動(dòng)模式的Q對(duì)諧振子振幅有明顯的影響。為了使這種微陀螺儀能穩(wěn)定工作，一般要采用振幅反饋控制和真空封裝。圖5-19是一幅振動(dòng)型微陀螺儀的SEM照片。圖5-18陀螺儀的輸出電壓與壓強(qiáng)間的關(guān)系圖5-18給出了當(dāng)角速度為45deg/s時(shí)，陀螺儀的輸出電壓隨環(huán)境壓強(qiáng)變化的情況，由圖可知，輸出電壓隨著壓強(qiáng)的增加而減小。在較高壓力下輸出電壓的減少是由于空氣的阻尼效應(yīng)，使諧振子的諧振品質(zhì)因數(shù)Q減小所