第十五章MEMS传感器案例.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