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李铮
李铮
1120100423
MEMS加速度传感器
有关MEM与MEM传感器
MEM是微机电系统的缩写。MEM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。
MEM技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业,采用MEM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勺研制和生产工作,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MEM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卩速度传感器和MEM传感器的应用
MEM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。
压阻式加速度传感器
压阻式加速度传感器是最早开发的一种。其原理为外力作用下,单晶硅材料发生微小形变,原子内部电子能级发生变化,从而产生剧烈电阻率的变化,从而改变输出电信号,也就是压阻效应。通过搭建惠更斯电桥调节输出电压结构达到易于处理的电压变化信号。
这种MEM微加速度传感器与传统的加速度传感器有很大的相似之处。
压电式传感器
压电式传感器与压阻式传感器结构类似,用压电材料替代压阻材料完成由加速度变化向电信号的转化。
热电偶是加速度传感器
热电偶是加速度传感器基于热交换原理,热源位于硅片中央,硅片悬空四周分布均匀热电偶堆。当有加速度时,均匀分布的热梯度被打破,经由电路整理,输出电压改变来表达动态加速度及静态加速度。
谐振式加速度传感器
谐振式加速度传感器其核心敏感元件谐振子拥有一定固有频率,在类似于压阻式传感器的结构下,加速度的变化改变了其谐振频率,从而得到电信号与加速度成正比的线性变化关系。而且灵敏度非常高,克服了高精度制造工艺及高精度电路复杂难制后谐振式传感器成为低成本高性能的代表。
光波导加速度传感器
光波导加速度传感器是由高精度机械光学结构搭建,在加速度不为零时,光波经过反射和折射用微小形变来放大,形成可观变量,经由光电转化输出与加速度成正比的电信号。
电容式微加速度传感器最后要介绍应用最广泛的电容式微加速度度传感器。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d0形成两个大小为C0的串联的电容。
/固定电极1
co
固定电极2
血—At/
」!亠^.
L4+m
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:
C二遽
d
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:
AC=卫蹙——竺丄二2驾山
心-LddQ+hdd,
上式在m时成立。
MEM$q速度传感器的主要工艺和封装
MEM前方并非一片光明。一项挑战是封装问题,因为MEM器件的多样性以及每个要暴露的不同环境。封装加上测试,很容易就会将成本增加一倍。在不影响产品性能的情况下,研究出标准化和更廉价的封装已成为MEM设计的主要关注目标。在今天的地球上,MEMS制造商投入了大量研发力量,试图加强自己在
封装制程中的地位,为各种新设备开发新的专用封装。
传统的MEM封装主要有金属封装、陶瓷封装和塑料封装三种形式。随着MEMS封装技术
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