基于微加速度传感器的倾角传感器
万方数据https://www.wendangku.net/doc/853418995.html,
万方数据
万方数据https://www.wendangku.net/doc/853418995.html,/yq_class/yq_266_1.html
加速度传感器和压电式传感器应用
加速度传感器及压电式传感器应用 摘要：加速度传感器是一种惯性传感器,它能感受加速度并转换成可用输出信号，被广泛用于航空航天、武器系统、汽车、消费电子等。通过加速度的测量，本文简单介绍了加速度传感器的种类、原理及相关应用并着重介绍了压电式加速度传感器。 关键词：加速度，传感器，应用 一加速度传感器概况 加速度检测是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量，是一种全自主的惯性测量，加速度检测广泛应用于航天、航空和航海的惯性导航系统及运载武器的制导系统中，在振动试验、地震监测、爆破工程、地基测量、地矿勘测等领域也有广泛的应用。 测量加速度，目前主要是通过加速度传感器（俗称加速度计），并配以适当的检测电路进行的，在(1～64)Hz的设备频率下典型的加速度测量范围为(0．1～10)g。。加速度传感器的种类繁多，依据对加速度计内检测质量所产生的惯性力的检测方式来分，加速度计可分为压电式、压阻式、应变式、电容式、振梁式、磁电感应式、隧道电流式、热电式等；按检测质量的支承方式来分，则可分为悬臂梁式、摆式、折叠梁式、简支承梁式等。多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的，当输入加速度时，加速度通过质量块形成的惯性力加在压电材料上，压电材料产生的变形和由此产生的电荷与加速度成正比，输出电量经放大后就可检测出加速度大小。下表为部分加速度计的检测方法及其主要性能特点。 型式测量范围灵偏稳定性分辨力特点 压电式(5~)g (~)g(~)g固有频率较高，用于冲击 及振动测量，大地测量及 惯性导航等 应变式± (0.5~200)g 低频响应较好，固有频率低，适用于低频振动测量 压阻式± (20~)g 灵敏度较高，便于集成化，耐冲击，易受温度影响 液浮摆式±(1~15)g (~)g(~)g带力反馈和温控，分辨力 高，成本较高，适用于惯 性导航
MEMS加速度传感器的研究报告
MEMS加速度传感器的研究 摘要：微传感器因其尺寸微小，测量准确度和灵敏度高而广泛应用于工程、医学、生物等各个领域。本次报告中，我们将对MEMS技术在惯性传感器件应用——加速度传感器作为讨论学习的主要内容。本报告选取电容式加速度传感器为例，分别从原理、工艺、检测电路、应用等几个方面展开说明，涉及MEMS电容式加速度传感器的各个方面，较为全面。很多都是自己的理解，因此也易于接受。 关键词：MEMS 加速度传感器检测电路 0 引言 随着微机械系统和微加工技术的发展，微型传感器也随之迅速发展。惯性系统已广泛用于航天、航空、航海和许多民用领域，成为目前各种航行体上应用的一种主要导航设备，能够提供比较精确的姿态与多种导航信息。我们利用惯性敏感元件和初始位置就可以确定载体的动态位置、姿态和速度。而加速度计作为惯性系统的一个核心敏感器件，虽然较陀螺仪发明较晚，但是发展速度很快。各个较大的半导体公司如MOTOROLA和Analog Devices Inc. 等都在MEMS加速度计的研发生产中取得了很大的成就。因此，此次对于MEMS加速度传感器的研究对于了解专业发展前沿和激发自己的学习兴趣都有很大的帮助。 根据原理不同，MEMS加速度传感器可以分为压阻式、压电式、电容式、谐振式和隧穿式等几大类，为了突出重点，对MENS传感器的原理、工艺及应用有个全面的了解，我们在此选择了其中的一种——电容式加速度传感器做深入研究。 1 电容式加速度传感器的原理 1.1 基本原理 电容式传感器是电容值随环境参数变化而发生改变的传感器。根据平板电容器的表达式C=εS/d可知，S和d的变化都会导致电容的变化，因此电容式加速度计的测量原理又可分为变面积式和变间距式，由于变间距式在制造工艺上的优越性，因此当今大部分电容式加速度计都是采用变间距来改变电容进而来测量加速度。电容式加速度传感器的结构示意如图1 所示。
微加速度传感器的研究现状及发展趋势
微加速度传感器的研究现状及发展趋势 摘要：介绍了为加速度传感器的研究现状、基本原理及其分类和发展趋势。重点论述了为加速度传感器的特点和它在民用领域和军用领域的不同应用，并对微加速度传感器领域内一些新的进展进行了讨论，指出了微加速度传感器的发展趋势。 关键词：MEMS 微加速度传感器 应用 发展趋势 Research and Development of Microaccelerometer Abstract：The research situation, the basic principle,classification and its development trend of acceleration sensor are introduced.The characteristics and application in civil areas and military field are discussesed, and some new progress to the micro acceleration sensor field are discussed.The development trend of micro acceleration sensor is proposed. Keywords：MEMS Micro acceleration sensor Applications Development trend 0前言 20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。 加速度计面世后一直作为最重要的惯性仪表之一，用在惯性导航和惯性制导系统中，与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起受到重视。这时候的加速度计整个都很昂贵，使其他领域对它很少问津。 这种状况直到微机械加速度计(Micro Mechanical Accelerometer，MMA)的问世才发生了改变。随着微机电系统技术的发展，微加速度计制作技术越来越成熟，国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。微加速度计与通常的加速度计相比，具有很多优点：体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。它可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域，具有广阔的应用前景。 当前国内在加速度技术上仍沿用传统的压电技术，精度停留在5×10-5g水平上，而且尺寸偏大，重量偏重，影响我国惯导技术的先进性。近年来国内虽然有多个单位MEMS微加速度计进行了研究，但在精度上仍未取得突破，大体上只能达到10-1g的水平。 1微加速度传感器概述及发展现状 1.1微加速度传感器的工作原理 MEMS加速度传感器是以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础，在单晶硅片上制造出来的微机电系统，包括微机械加速度计、微机械陀螺仪和微惯性测量组合(MIMU)。微加速度传感器的工作原理是经典力学中的牛顿定律，其功能是测量运动物体(如车辆、飞机、导弹、舰艇、人造卫星等)的质心运动和姿态运动，进而可以对运动物体实现控制和导航。MEMS微加速度传感器与非MEMS为加速度传感器相比，其体积和价格可减少几个数量级，对国防具有重大战略意义。基于MEMS加速度传感器建低成本、高性能的微型惯性导航系统正在成为当前惯性技术领域的一个研究热点。
微加速度传感器概述_微机电系统设计学
《微机电系统设计学》读书报告 ——微加速度传感器概述查阅资料前，预计要解决的问题： 1)微加速度传感器的产生 2)微加速度传感器相比于传统传感器存在的优势 3)微加速度传感器工作原理 4)微加速度传感器主要有哪些类型，不同类型的特点 5)不同类型的微加速度传感器大致结构和工作机制 6)微加速度传感器主要应用及其发展趋势和前景 7)国内外微加速度传感器的发展 查阅的主要书籍及论文如下： 1.刘昶等微机电系统基础[M] 北京：机械工业出版社，2007 2.李德胜等MEMS技术及其应用[M] 黑龙江: 哈尔滨工业大学出版社，2002 3.傅建中等微系统原理与技术[M] 北京：机械工业出版社，2005 4.刘好等微加速度传感器的研究现状及发展趋势[J] 光学精密工程2004,12(3)： 81-86 5.李圣怡等微加速度计研究的进展[J] 国防科技大学学报2006（04）：34-37 针对预期解决的问题，对查阅的资料进行整理。 一、微加速度传感器概述 自19世纪产业革命以来，传感器作为检测单元不断用于改善机器系统的性能和提高系统的自动化程度。随着MEMS技术的不断发展，特别是其加工技术，如蒸镀、刻蚀，微细加工的进步，过去很难加工的工艺变得容易了。通过蒸镀可以制成均匀的、稳定的，并可以把拾取信息的敏感部分和电路集成于一体。例如，微加工技术可在半导体材料上，利用刻蚀方法使局部厚度变成几个微米而感受压力的敏感膜，从而避免了传统的把感压膜固定在装置上而产生的诸多不稳定因素。除了敏感元件及其信号处理电路，调节机构甚至运动元件也都可以利用微加工技术集成在一起，在相对极小的空间里制作出测量和控制系统。 各种各样的微传感器已经问世，测量对象从机械量的位移、速度和加速度到热工学量的温度和基于温度特性的红外图像和流速，以及磁场、化学成分等应有尽有。同传统传感器相比，微传感器具有体积小、质量轻、功能灵活、功耗小，以及成本低廉等特点。20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。美国AD公司、美国加州大学Berkeley分校(UCB)、德国Dresden大学、
加速度传感器的工作原理、结构以及芯片的微加工
加速度传感器的工作原理、结构以及芯片的微加工 传感器作为故障信息监测与诊断的数据来源,其对工程装备工作参数的拾取精度直接决定了后续故障诊断的准确度,是机械故障信息监测的关键器件。随着无线监测系统进入工业应用以及制造装备智能化发展的趋势,当前所用的压电式加速度传感器由于成本、体积等方面的原因逐渐不能满足工业实际需求;因此,将具有微型化与可大规模生产等潜力的MEMS传感器应用于机械故障信息监测中,可为制造装备集成化、智能化发展提供必要的器件支持。综合各类传感器的优缺点以及机械制造装备故障检测对测振传感器的性能需求，本文以3种不同结构的压阻式MEMS加速度传感器为对象,介绍了微型测振加速度传感器的工作原理、结构以及微加工工艺，针对传感器固有频率与测量灵敏度之间的制约关系,提出“小变形-大应力”的敏感结构设计方法,并根据所设计结构特点与微加工工艺能力制定传感器芯片制作流程。加速度传感器工作原理压阻式传感器利用材料的压阻效应将物理量转换为电学量的方式来实现信号测量。目前,压阻式加速度传感器多采用如图1所示的“梁-质量块”结构,主要包括质量块、支撑梁和压敏电阻3个基本元件。当传感器受到加速度作用时,质量块在惯性力的作用下发生与加速度成比例的位移,带动支撑梁发生弯曲变形,产生应力。由于硅的压阻效应,压敏电阻在应力作用下阻值变化,后经过惠斯通电桥输出与加速度成比例的电压,实现加速度信号到电信号的转换,如图2所示。 图1 梁-质量块结构图 图 2 压阻式传感器工作过程在加工传感器芯片过程中,通常采用离子注入工艺在传感器应力最敏感区域制作4个等值的压敏电阻以提高传感器的测量灵敏度。然后由芯片上的金属引线将压敏电阻连接成惠斯通电桥,由外接恒压源或恒流源激励工作。当传感器工作时,惠斯通电桥能够有效地将压敏电阻的变化转换成电压信号,且压阻式传感器的电压输出与加速度输入成线性关系。传感器的敏感结构 加速度传感器的主要性能指标包括测量灵敏度、固有频率、输出线性度以及可用量程等，其中测量灵敏度与固有频率是决定传感器应用范围的重要指标。对于某一结构的传感器来说,提升固有频率则必须增加结构刚度、减小质量块,而这必然会减小结构的静态变形,造成
MEMS加速度传感器
MEMS加速度传感器 一．有关MEMS与MEMS传感器 MEMS是微机电系统的缩写。MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。 MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。 目前，全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中微传感器占相当大的比例。微传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。 本文概述MEMS为加速度传感器的类型、工作原理、性能、应用和发展方向。重点介绍一下电容式MEMS加速度传感器和MEMS传感器的应用 二．MEMS微加速度传感器的原理 MEMS技术所制造的加速度传感器根据原理分类有压阻式加速度传感器、压电式加速度传感器、电容式加速度传感器、热电偶式加速度传感器、谐振式加速度传感器、光波导加速度传感器，其中应用最广泛、受关注程度最高的是电容式加速度传感器。 传统加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。 2.1压阻式加速度传感器
力平衡加速度传感器原理设计t
力平衡加速度传感器原理设计 摘要：本文介绍了一种力平衡加速度传感器的原理设计方法。差容式力平衡加速度传感器在传统的机械传感器的基础上，采用差动电容结构，利用反馈原理把被测的加速度转换为电容器的电容量变化，将加速度的变化转变为电压值。使传感器的灵敏度、非线性、测量范围等性能得到很大的提高，使其在地震、建筑、交通、航空等各领域得到广泛应用。 关键词：加速度差容式力平衡传感器 加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。它是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的测试仪器。 1、加速度传感器原理概述 加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。差容式力平衡加速度传感器则把被测的加速度转换为电容器的电容量变化。实现这种功能的方法有变间隙，变面积，变介电常量三种，差容式力平衡加速度传感器利用变间隙，且用差动式的结构，它优点是结构简单，动态响应好，能实现无接触式测量，灵敏度好，分辨率强，能测量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的电容量一般很小，仅几pF至几百pF，其容抗可高达几MΩ至几百 MΩ，所以对绝缘电阻的要求较高，并且寄生电容（引线电容及仪器中各元器件与极板间电容等）不可忽视。近年来由于广泛应用集成电路，使电子线路紧靠传感器的极板，使寄生电容，非线性等缺点不断得到克服。 差容式力平衡加速度传感器的机械部分紧靠电路板，把加速度的变化转变为电容中间极的位移变化，后续电路通过对位移的检测，输出
一个对应的电压值，由此即可以求得加速度值。为保证传感器的正常工作.，加在电容两个极板的偏置电压必须由过零比较器的输出方波电压来提供。 2、变间隙电容的基本工作原理 如式2－1所示是以空气为介质，两个平行金属板组成的平行板电容器，当不考虑边缘电场影响时，它的电容量可用下式表示： 由式（2－1）可知，平板电容器的电容量是、A、的函数，如果将上极板固定，下极板与被测运动物体相连，当被测运动物体作上、下位移（即变化）或左右位移（即A变化）时，将引起电容量的变化，通过测量电路将这种电容变化转换为电压、电流、频率等电信号输出根据输出信号的大小，即可测定物体位移的大小，若把这种变化应用到电容式差容式力平衡传感器中，当有加速度信号时，就会引起电容变化 C，然后转换成电压信号输出，根据此电压信号即可计算出加速度的大小。 由式（2－2）可知，极板间电容C与极板间距离是成反比的双曲线关系。由于这种传感器特性的非线性，所以工作时，一般动极片不能在
加速度传感器原理以及选用
加速度传感器原理以及选用 什么是加速度传感器？ 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。 加速度传感器一般用在哪里？ 通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候，你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是，现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。 加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。 目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。 加速度传感器是如何工作的？ 多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。 所谓的压电效应就是 "对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应 "。 一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。 在选购加速度传感器的时候，需要考虑什么？ 模拟输出 vs 数字输出：这个是最先需要考虑的。这个取决于你系统中和加速度传感器之间的接口。一般模拟输出的电压和加速度是成比例的，比如2.5V对应0g的加速度，2.6V对应于0.5g的加速度。数字输出一般使用脉宽调制（PWM）信号。 如果你使用的微控制器只有数字输入，比如BASIC Stamp，那你就只能选择数字输出的加速度传感器了，但是问题是你必须占用额外的一个时钟单元用来处理PWM信号，同时对处理器也是一个不小的负担。 如果你使用的微控制器有模拟输入口，比如PIC/AVR/OOPIC，你可以非常简单的使用模拟接口的加速度传感器，所需要的就是在程序里加入一句类似"acceleration=read_adc()"的指令，而且处理此指令的速度只要几微秒。 测量轴数量： 对于多数项目来说，两轴的加速度传感器已经能满足多数应用了。对于某些特殊的应用，比如UAV，ROV控制，三轴的加速度传感器可能会适合一点。 最大测量值： 如果你只要测量机器人相对于地面的倾角，那一个±1.5g加速度传感器就足够了。
加速度传感器原理与应用简介
加速度传感器原理与应用简介 1、什么是加速度传感器 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。 加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。另一种就是线加速度计。 2、加速度传感器一般用在哪里 通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候，你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是，现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。 加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。 目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。 概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。 3、加速度传感器是如何工作的 线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（惯性力）/M（质量）我们只需要测量F就可以了。怎么测量F？用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到F 对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。 现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。在诸如军工、空间系统、科学测量等领域，需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化。而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，它的性能价格比很高。可以预见在不久的将来，它将在加速度传感器市场中占主导地位。 微加速度传感器有压阻式、压电式、电容式等形式。 ·压电式 压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压
MEMS加速度传感器简介(最终版)
MEMS电容式加速度传感器 学校：哈尔滨工业大学（威海） 学院：信息与电气工程学院 专业：电子科学与技术 作者：胡诣哲090260207 纪鹏飞090260208
摘要 本文从MEMS电容式加速度传感器的基本原理切入，主要介绍了该类型传感器的原理和三种主要结构：三明治式、扭摆式、梳齿式及其各自结构方面优点。同时介绍目前应用较为广泛的集成式的基于电容原理的芯片MMA7455，主要分析了该集成传感器的内部结构和应用。 关键字：MEMS，电容式，加速度传感器，MMA7455 Abstract In this paper, we discussed the MEMS capacitive accelerometer from its fundamental principle and its three main structure which are sandwich, twist, and comb. Different structures have their own advantages. We also give the introduction to a popular IC accelerometer MM7455, putting an emphasis on its internal structure and some applications. Key words:MEMS, capacitive, accelerometer, MMA7455
一、引言 1.1 MEMS 加速度传感器简介 MEMS(Micro-Machined Electro Mechanical Sensor)是微机电机械传感器的简称，它是一种微米级的类似集成电路的装置和工具。MEMS 技术是一项有着广泛应用前景的基础技术。以半导体技术和微机电加工工艺设计、制造的MEMS 传感器，集成度高，并可与信号处理电路集成在一起，大大降低了生产成本，已在汽车、消费电子和通信电子领域取得极大发展。 MEMS 加速度传感器按敏感原理的不同可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式、热对流式等。本文主要介绍MEMS 电容加速度传感器。 二、传感器工作原理与常见结构 2.1 MEMS 电容式加速度传感器工作原理 电容式微加速度传感器的基本结构是质量块与固定电极构成的电容。当加速度使质量块产生位移时改变电容的重叠面积或间距。检测到的电容信号经过前置放大、信号调理后，以直流电压方式输出，从而间接实现对加速度的检测。 如图1所示，电容式加速度传感器由两块固定电极夹着一块活动电极。在静止的情况下，活动电极与两块固定电极的距离均为d 0形成两个大小为C 0的串联的电容。 当加速度传感器检测加速度时，活动电极受加速度力产生位移，两个电容的d 发生变化。根据平行板电容的计算公式： r S C d εε= 可知两个电容的大小将发生变化。由于此时电容值和极板间隙不是线性关系，常常采用差动电容检测方式以解决线性问题： 0002 000 2r r r S S S C d d d d d d εεεεεε?= - = ?-?+? 上式在d d ?<<时成立。
MEMS加速度传感器的原理与构造
微系统设计与应用 加速度传感器的原理与构造 班级：2012机自实验班 指导教师：xxx 小组成员：xxx xx大学机械工程学院 二OO五年十一月
摘要 随着硅微机械加工技术(MEMS)的迅猛发展,各种基于MEMS技术的器件也应运而生,目前已经得到广泛应用的就有压力传感器、加速度传感器、光开关等等,它们有着体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高等特点,而且因为其加工工艺一定程度上与传统的集成电路工艺兼容,易于实现数字化、智能化以及批量生产,因而从问世起就引起了广泛关注,并且在汽车、医药、导航和控制、生化分析、工业检测等方面得到了较为迅速的应用。其中加速度传感器就是广泛应用的例子之一。加速度传感器的原理随其应用而不同，有压阻式，电容式，压电式，谐振式等。本文着手于不同加速度传感器的原理、制作工艺及应用展开，能够使之更加全面了解加速度传感器。 关键词：加速度传感器，压阻式，电容式，原理，构造
目录 1 压阻式加速度传感器 (2) 1.1 压阻式加速度传感器的组成 (2) 1.2 压阻式加速度传感器的原理 (2) 1.2.1 敏感原理 (3) 1.2.2 压阻系数 (4) 1.2.3 悬臂梁分析 (5) 1.3 MEMS压阻式加速度传感器制造工艺 (6) 1.3.1结构部分 (6) 1.3.2 硅帽部分 (8) 1.3.3键合、划片 (9) 2电容式加速度传感器 (9) 2.1电容式加速度传感器原理 (9) 2.1.1 电容器加速度传感器力学模型 (9) 2.1.2电容式加速度传感器数学模型 (11) 2.2电容式加速度传感器的构造 (12) 2.2.1机械结构布局的选择与设计 (12) 2.3.2材料的选择 (14) 2.3.3工艺的选择 (15) 2.3.4具体构造及加工工艺 (16) 3 其他加速度传感器 (18) 3.1 光波导加速度计 (18) 3.2微谐振式加速度计 (18) 3.3热对流加速度计 (19) 3.4压电式加速度计 (19) 4 加速度传感器的应用 (20) 4.1原理 (20) 4.2 功能 (20) 参考文献 (22)
加速度传感器类型
加速度传感器类型 1. 直流响应加速度传感器的特点 直流响应加速度传感器是指具有直流耦合输出，能够响应低至0 赫兹的加速度信号。因此直流响应的加速度传感器适合同时测试静态和动态的加速度,但是也并不是只有需要测试静态加速度时才选择直流响应的加速度传感器。 直流响应加速度传感器主要有两种类别,分别是电容型和压阻型。下面说下就这两类加速度传感器各自的特点。 电容型电容型加速度传感器在当今是最通用的，在某些领域无可替代，如安全气囊，手机移动设备等。高的产量使得这类传感器成本低廉。但是这种低成本的加速度传感器受制于较低的信噪比，有限的动态范围。所有的电容型加速度传感器都具有内部时钟，它是检测电路必不可少的部分，由于泄漏经常会对输出信号产生干扰。这种噪声的频率远高于测量信号的频率，一般不会对测量结果造成影响，但是它始终和测试信号叠加在一起。由于内置了放大器芯片，其一般具有3 线或4 线差分输出接口，只要有直流供电便能工作。 压阻型压阻型加速度传感器是另一种广泛应用的直流响应加速度传感器。不同于电容型加速度传感器通过电容的变化测量加速度，压阻型加速度传感器通过应变电阻值的变化输出加速度信号，应变电阻是传感器惯性感应系统的一部分。很多工程师熟悉
应变片，并知道如何测量其输出。大多数的压阻型传感器对温度变化敏感，因而需要对其输出信号在传感器内部或外部做温度补偿。现代压阻型加速度传感器包含一个专用集成电路做在板信号处理，也包含温度补偿。 2. 交流响应加速度传感器的特点作为交流响应的加速度传感器，正如它的名称，它的输出是交流耦合的,这类加速度传感器不能用来测试静态的加速度，仅适合测量动态事件,比如重力加速度和离心加速度。最常用的交流响应加速度传感器是采用压电元件作为其敏感单元的。当有加速度输入时，传感器中的检测质量块发生移动使压电元件产生正比于输入加速度的电荷信号。从电学角度来看，压电元件如同一个有源的电容器，其内阻在10x9 欧姆级别。由内阻和电容决定了RC 时间常数，这也决定了传感器的高频通过特性。基于这个原因，压电加速度传感器不能用于测量静态事件。压电元件可来自于自然界或者人造。它们有着不同的信号转换效率和线性关系。市场上主要有两类压电加速度传感器－电荷输出型，电压输出型。大部分的压电加速度传感器采用锆钛酸盐陶瓷，具有很宽的工作温度范围，动态量程范围大，频率范围宽。电荷输出型 加速度传感器把压电陶瓷封装在具有气 密性的金属外壳中。由于具有抵抗严酷环境的能力，其具有非常好的耐久性。由于其具有很高的阻抗，该传感器需要配合电荷放大器和低噪声屏蔽电缆使用，最好是同轴电缆。低噪声电缆是指其具有低的摩擦电噪声，这是一种运动产生的来自电缆本身的噪
硅微电容式加速度传感器结构设计
11998-11-26收稿;1999-01-25定稿 o本刊通讯编委 第20卷第4期 半 导 体 光 电 Vol.20No.4 1999年8月 Semiconductor Optoelectronics Aug.1999 文章编号: 1001-5868(1999)04-0237-04 硅微电容式加速度传感器结构设计 1 吴 英,江永清,温志渝o,胡 松 (重庆大学光电工程学院,重庆400044) 摘 要: 通过建立传感器的力学模型,对硅微电容式加速度传感器的特性作了详细的分析与讨论,为系统结构的优化设计提供了理论基础。 关键词: 硅微机械 电容式加速度传感器 PWM 调制中图分类号: TP212 文献标识码:A Structure optimization design of silicon micro capacitive accelerometer WU Y ing,JIAN G Y ong-qing,WEN Zhi-yu,HU Song (Optoelectronic Engineering C ollege,C hongqing University ,Chongqing 400044,China) Abstract: In this paper,the property of silicon micro capacitive accelerometer is analyzed and discussed by establishing the model of sensor,laying the foundation for optimization design of sensor system structure. Keywords: silicon m icromachine,capacitance-ty pe accelerometer,PWM modulating 1 引言 硅微力平衡电容式加速度传感器是在电容式加速度传感器的基础上发展起来的,以牛顿第二定律为理论基础,通过检测电容变化从而测得系统所承受的加速度的大小。在这种检测模式下,传感器的性能主要由梁和质量块的结构决定,在质量块一定的情况下,梁越长,传感器的灵敏度越高;在梁长一定的情况下质量块越大,传感器越灵敏。由此,在传感器几何尺寸一定的情况下,通过对传感器的静态特性、动态特性以及测量范围的分析,可实现传感器结构的优化设计。 脉宽调制(PWM )的硅微力平衡电容式加速度传感器的工作原理如图1所示,该传感器是由动极板和上下定极板构成的硅敏感元件。上下定极板是淀积有薄膜电极的玻璃,动极板是带质量块的硅微悬臂梁结构(利用硅的表面加工和体加工技术形成)。 图1 加速度传感器工作原理图 F ig.1Schematic diagram of w orking principle of accelerometer 硅微力平衡电容式加速度传感器受到加速度作用时,动极板将偏离其中心平衡位置,使上下极板与中间动极板所构成的电容值发生变化,通过电容差值检测电路,输出与动极板位移成正比的电压,利用脉宽调制电路产生控制动极板平衡的脉冲反馈信号,改变该反馈信号的脉冲宽度可以改变作用在动极板的静电力(静电力与脉冲宽度成正比),使动极板保持在中间平衡位置。 传感器系统的传递函数框图如图2所示。当增益较大频率较低时,传递函数为[1] W (s)=D (s)a(s)= 2m d 2 E A V 2h (1) 式中,m 为动极板的质量,d 为动极板与定极板之
常用加速度传感器有哪几种分类
1、常用加速度传感器有哪几种分类各有什么特点 答：加速度传感器按工作原理可分为压电式、压阻式和电容式。 压电式传感器是通过利用某些特殊的敏感芯体受振动加速度作用后会产生与之成正比的电荷信号的特性，来实现振动加速度的测量的，这种传感器一般都具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、结构简单坚固、受外界干扰小以及产生电荷信号不需要任何外界电源等优点，它最大的缺点是不能测量零频率信号。 压阻式传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥来实现测量加速度信号，这种传感器的频率测量范围和量程也很大，体积小重量轻，但是缺点也很明显，就是受温度影响较大，一般都需要进行温度补偿。 电容式传感器中一般有个可运动质量块与一个固定电极组成一个电容，当受加速度作用时，质量块与固定电极之间的间隙会发生变化，从而使电容值发生变化。它的优点很突出，灵敏度高、零频响应、受环境（尤其是温度）影响小等，缺点也同样突出，主要是输入输出非线形对应、量程很有限以及本身是高阻抗信号源，需后继电路给予改善。 相比之下，压电式传感器应用更为广泛一些，压阻式也有一定程度的应用，而电容式主要专用于低频测量。 2、压电式传感器又分哪几种 答：压电式传感器有多种分类方式。 按敏感芯体材料分为压电晶体（一般为石英）和压电陶瓷两类。压电陶瓷比压电晶体的压电系数要高，而且各项机电系数随温度时间等外界条件的变化相对较小，因此一般更常用的是压电陶瓷。 按敏感芯体结构形式分为压缩式、剪切式和弯曲变形梁式。压缩式结构最简单，价格便宜，但是不能有效排除各种干扰；剪切式受干扰影响最小，目前最为常用，但是制造工艺要求较高，所以价格偏高；弯曲变形梁式比较少见，其结构能够产生较大的电荷输出信号，但是测量频率范围较低，受温度影响易产生漂移，因此不推荐使用。 按信号输出的方式分为电荷输出式和低阻抗电压输出式（ICP）。电荷输出式直接输出高阻抗电荷信号，必须通过二次仪表转换成低阻抗电压读取，而高阻抗电荷信号较容易受干扰，所以对测试环境、连接线缆等的要求较高； 而ICP型传感器内部安装了前置放大器，直接转换成电压信号输出，所以相对有信号质量好、噪声小、抗干扰能力强、能实现远距离测量等优点，目前正逐步取代电荷输出式传感器。 3、选择压电式加速度传感器时有哪些基本原则 答：选择一般应用场合的压电式加速度传感器时，要从三个方面全面考虑： ①振动量值的大小②信号频率范围③测试现场环境。 作为一般的原则，灵敏度高的传感器量程范围小，反之灵敏度低的量程范围大，而且一般情况下，灵敏度越高，敏感芯体的质量块越大，其谐振频率也越低，如果谐振波叠加在被测信号上，会造成失真输出，因此选择时除
加速度传感器研究现状
加速度传感器研究现状 【摘要】加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。介绍了加速度传感器的产生，加速度传感器的应用和原理和加速度传感器的未来发展趋势。随着传感器的发展加速度传感器加速度传感器未来发展态势喜人，加速度传感器的应用也越来越普遍，生活中好多地方都应用到。本论文论述我加速度传感器的各方面应用和未来发展态势。 Acceleration sensor is capable of measuring acceleration of electronic devices. Describes the generation of acceleration sensor and acceleration sensor and acceleration sensor applications and principles of the future development trends. With the development of sensors accelerometer gratifying trend of future development, acceleration sensor applications are increasingly common, many places in life are applied to. This paper discusses various aspects of my application acceleration sensor and the future development trend. 【关键字】加速度传感器，工作原理，应用，发展态势
微加速度传感器的测试技术
微加速度传感器的测试技术 学号:07060441X29 姓名： 摘要：微型加速度传感器是一种重要的惯性传感器，是惯性组合测量系统的基础元件之一。由于航空航天，各种机器人、工业自动控制、汽车以及玩具、武器装备等领域的迅速发展，对微型加速度传感器提出了多维、集成化等需求。而硅微加速度传感器是MEMS器件中的一个重要分支，具有十分广阔的应用前景。由于硅微加速度传感器具有响应快、灵敏度高、精度高、易于小型化等优点，而且该种传感器在强辐射作用下能正常工作，使其近年来发展迅速。本文围绕硅微加速度传感器的结构与工作原理进行了比较系统的研究，重点讨论了硅微加速度传感器的测试。 正文：21 世纪是人类全面进入信息化的时代，随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们需要获得的电子信息种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息采集技术——传感技术必须跟上信息化发展的需要。它是人类探知自然界信息的触觉，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。作为现代信息技术的三大核心技术之一的传感技术，将是二十一世纪世界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域。 微机电系统（MEMS）是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，它涉及电子、微机械、材料、制造、信息与控制、物理和生物等多种学科领域，其研究成果在国民经济和国防安全中有广泛的应用前景。目前MEMS 产品中研制最多、应用最广的是硅微机械传感器。其中硅微加速度传感器在汽车、工艺控制、航空航天、武器装备上是用得最多的MEMS 传感器之一。且来自集成电路工艺的技术发展使得低成本、大批量地生产MEMS 传感器成为可能。传感器向微型化发展的趋势，微传感器接口电路的微型化和与传感器集成，是微型加速度传感器研究的热点之一。微型加速度传感器是一种十分重要的力学敏感传感器，是微型惯性测量组合系统（MIMU）的重要基础元件。人们很早就开始了对加速度传感器结构和制造技术的研究。近年来MEMS 技术的发展，使得基于MEMS 技术的微加速度传感器在结构和工艺上具有传统的加速度传感器无法比拟的诸多优点，正逐步取代传统的加速度传感器。硅微加速度传感器的一种典型结构如图1.1 所示，梁的一端固定在边框架上，另一端悬挂一个质量块。无加速度时质量块不运动，输出为零；而当有垂直方向加速度时，质量块运动，经C/V 转换，放大解调输出与加速度信号有关的电压信号。应用于微加速度传感器的敏感机理很多，目前有文献报道的主要有压阻式、电容式、温敏式（热对流式）、真空微电子式、隧道式、热电耦式、光波导式、谐振式等形式，其中最主要的是压阻式和电容式两种形式。
利用加速度传感器测量物体的倾斜角度
利用加速度传感器测量物体的倾斜角度 1 说明测量物体的倾斜角度是加速器传感器的一种常见的应用。虽然其基本原理十分简单，但是在具体实现中仍然会遇到很多困难，比如倾斜角度的精度问题，数学计算过于复杂等等。本文将对精度问题进行详细讨论，并给出一种简化的计算方法。 2 基本原理由于加速度传感器在静止放置时受到重力作用，因此会有1g 的重力加速度。利用这个性质，通过测量重力加速度在加速度传感器的X 轴和Y 轴上的分量，可以计算出其在垂直平面上的倾斜角度。这样，根据以上原理一个2 轴加速度传感器可以测量在X-Y 平面上的倾斜角度。需要注意的是，2 轴加速度传感器只能测量X 轴和Y 轴上的重力分量，因而只能测量因而只能测量X-Y平面上的倾斜角度。可是由于物体在空间倾斜的时候，很难保证倾斜完全在X-Y 平面上，这样只使用2 轴加速度传感器进行测量会存在局限性，因此，我们考虑使用 3 轴加速度传感器。如下图所示，3 轴加速度传感器可以测量X 轴、Y 轴和Z 轴的重力分量，计算空间倾斜角度的公式可以推广为 。这个公式就是本文中用来测量物体倾斜角度的基本原理。
需要说明的是，这里利用的是物体在静止时受到重力的性质，如果物体同时也有运动加速度的话，那么这个公式将不再准确。所以必须为公式增加一个限制条件，即3 硬件实现目前，在消费类产品中使用的加速度传感器分为数字输出（例如ADXL345）和模拟输出（例如ADXL335）两种。数字输出的加速度传感器可以直接通过I2C 或SPI 总线与MCU 进行连接；模拟输出的加速度传感器则需要使用ADC 进行采样。现在，普遍使用的MCU 中基本都有内置的ADC 通道，所以无论是数字输出还是模拟输出的加速度传感器都可以非常容易地和MCU 进行连接，进而实现测量功能。