电容式MEMS加速度计的设计与制备技术研究
第一二章电容式微加速度计的结构设...
第一章引言图１．１静电力驱动式微型夹钳“”２．电磁力驱动微型夹钳电磁力驱动微型夹钳的驱动器一般包括线圈和电磁铁等，线圈所产生的电磁场驱动电磁铁运动，推动夹钳的卡爪完成夹持动作。
这类微型夹钳的卡爪能获得较大范围的开合量，夹持动作响应快，无磨损，控制简单，但是电磁线圈的结构难于用ｌｃ工艺兼容（难于用ＩＣ工艺加工），而且体积大，无法做的很小，还不能称为微夹钳。
３．压电式微夹钳图１－２为压电式微夹钳，驱动源是压电变换器。
通过施加电压，压电变换器产生长度变化，使钳口张合。
此微夹钳具有可控输出，无摩擦，易制作等优点，但是以压电元件驱动的微夹钳受压电元件尺寸的限制，难以做得很小。
压电元件的逆压电效应产生的变形量很小，通常为几～十几微米，不能满足微尺度操作的要求。
一般采用机械增幅机构，利用杠杆原理，来放大位移。
经过二、三级的放大，可以将压电元件的变形量放大到几百微米。
机械增幅机构中多采用柔性铰链，柔性铰链适合于实现小范围偏转的支承，可以作为杠杆支点和构件间的铰接点，体积容易做得很小，无机械摩擦、无间隙。
图１．２压电式微夹钳…１８第一章引言４．形状记忆合金微夹钳上文中提到机械增幅机构，机械增幅机构中多采用柔性铰链，柔性铰链适合于实现小范围偏转的支承，可以作为杠杆支点和构件间的铰接点，体积容易做得很小，无机械摩擦、无间隙。
柔性铰链绕轴作复杂运动的有限弹性角位移时，储存了一定的弹性势能，当机械增幅机械去掉驱动力之后，机构可以靠柔性铰链的弹性能恢复处理和记忆训练后，它对原有的形状具有记忆能力。
利用这种记忆效应来夹持、释放物体，这就是形状记忆合金夹钳的基本原理。
形状记忆合金是一种功能材料，经过一定的热处理和记忆训练后，对原有的形状具有记忆能力。
利用此记忆效应来夹持，释放物体。
如图１．３所示，通过加热由形状记忆合金组成的驱动单元Ｉ，使其产生变形，引起驱动单元ＩＩ变形，从而使钳爪闭合；反之，温度下降，变形恢复，钳爪张开。
形状记忆合金具有较高机械性能，抗蚀性能好，可恢复应变量大，恢复力大，本身既是驱动材料，又是结构材料，便于实现机构的简化和小型化。
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：***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，MMA7455AbstractIn 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。
基于MEMS技术的加速度传感器设计与制造
基于MEMS技术的加速度传感器设计与制造加速度传感器是一种能够测量物体加速度的微型传感器。
它被广泛应用于各种领域，如汽车安全系统、虚拟现实设备、运动跟踪设备等。
基于微机电系统（MEMS）技术的加速度传感器具有体积小、能耗低、成本低以及集成度高等优势。
本文将重点讨论基于MEMS技术的加速度传感器的设计与制造。
一、设计阶段在设计基于MEMS技术的加速度传感器之前，需要明确传感器的工作原理和性能指标。
加速度传感器通过测量微小质量在加速度作用下产生的惯性力来测量加速度。
在设计之初，需要明确量程、精度、频率响应等性能指标，以满足特定应用的需求。
1. 惯性力测量原理基于MEMS技术的加速度传感器利用微型质量与惯性力的相互作用关系进行测量。
一般来说，传感器中的微型质量会受到加速度作用下的惯性力，导致压电材料产生压电效应，通过对压电材料的检测，可以得到加速度的测量结果。
2. 量程和精度量程表示传感器能够测量的最大加速度范围。
在选择量程时，需要考虑传感器受力范围。
过大的量程可能导致传感器饱和，而过小的量程则无法满足需求。
精度表示传感器的测量误差，是评估传感器性能的重要指标。
在设计过程中，需要选择合适的压电材料、结构和电路，以提高传感器的精度。
3. 频率响应频率响应是指传感器对于输入信号频率的响应程度。
频率响应决定了传感器在不同频率下的工作性能。
在设计中，需要对传感器的机械结构和电路进行优化，以提高其频率响应。
二、制造阶段在设计完成后，就需要进行基于MEMS技术的加速度传感器的制造。
制造过程中需要关注材料选择、加工工艺和封装方式等因素。
1. 材料选择制造加速度传感器所需的材料应具备良好的力学性能和电学性能。
常用的材料包括硅、玻璃、金属等。
硅是MEMS制造中最常用的材料，具有良好的耐温性能和加工性能。
2. 加工工艺加速度传感器的制造通常采用微电子加工工艺，包括光刻、薄膜沉积、离子刻蚀等步骤。
通过光刻技术，在硅片上制作出加速度传感器的微结构。
“三明治”MEMS加速度计的设计与分析
的谐振频率 、 抗冲击性、 线性度等因素人手进行仿 真分析与理论计算 ， 确定 了加速度计的结构参数
以及 体硅 工艺 流程 。
传感器 的特别突出的优点在于 ， 灵敏度及分辨率 可以做到很高 ， 可以测量极小 的加速度 和位移 Ｊ
电容式加速度传感器种类繁 多 ， 但原理基 本 相 同， 都是通过测量 电容 的变化来检测加速度信
号。电容式加速传感器有诸 多优点 ： 压阻式或 热
对流 式 容 易 因 外 界 温 度 变 化 而 产 生 零 位 漂 移 儿 引， 而电容式的电容值一般与电极材料无关 ， 因此可选择温度系数低 的材料 ； 加上本身发热极
景 。
极板 间距 与极 板 间的重 叠 面积来决定 。为 了减小
寄生 电容 的干扰 ， 并提高传感器 的灵敏度 ， 电容式 加速度传感器通常采用差分 电容结构 ， 即质量块 部分作为公共极板 ， 两个电容串联相接。 对于差分电容式加速度计 ， 较为成熟的结构
有“ 梳齿” 结构 的 电容 式 加速 度 计 【 和 “ Ｊ 三 明治 ” 结 构 的 电容 式加 速度 计 ， “ 梳齿” 型 结构 的 电容式 加 速度 计 ， 由 于难 以实 现较 大 的敏感质 量块 ， 且敏
２ ３ ３ ０ ４ ２ ）
（ 北方 通用 电子集 团有 限公 司微 电子 部 蚌 埠 摘 要
基 于体 硅微 机械 加 工技 术 ， 设计 分析 了一 种抗 冲 击“ 三 明治 ” 电容式 ＭＥ Ｍ Ｓ加 速 度计 。利
用敏 感质 量块 与 固定 电极构 成 电容 差分 结构 ， 在 有效提 高加 速度 计灵敏 度 的 同时 ， 减 小 了寄生 电容 的干 扰， 提 高 了加速 度计 的 测量精 度 ， 并 对 悬臂 梁的抗 冲 击性 能做 了仿 真分 析 ， 保证 了加 速度 计 工作 的可 靠 性 。经仿 真与理 论计 算 分析表 明 ， 该加 速 度计 在 Ｚ轴 向 的灵敏 度 为 ０ ． １ ２ ５ ｐ Ｆ ／ ｇ ， 谐振频率为 ４ ． ９ ｋ Ｈｚ ， 量
非硅MEMS电容式微加速度计的测控电路设计
法 电路组成 。完成了微加速度计测控 电路 的调试和检测通道的标定 实验 ， 实验表明 ： 检测通道的量程 约为 ±６ Ｆ 灵敏度为 ８ ． ／ Ｆ 线性度为 ２ ５ ， ， ｐ ９３ ｍＶ ｐ ， ．９％ 满足加速度计检测通道 的要求 。
关键词 ：微机 电系统 ； 微加速度计 ； 差分 电容 ； 测控 电路 ； 标定 中图分类号 ：Ｖ２ １４ Ｔ ２２ １ ４ ． ， Ｐ １ ． 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ －７ ７ ２ １ ）２ ０ ００ ０ ０９８ （ ０２ ０ － ９ －３ ０
Ａｂ ｔａ ｔ ｏ ｉ ｒ ｖ ｈ ｎ ｉ ｖ ｒｌ ａ ｉ ｇ ｃ ｐ ｂ ｌ ｙ ｏ ｓ ｒ ｃ ：Ｔ ｍｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ａ ｔ ｏ ｅ ｏ ｄｎ ａ ａ ｉ ｔ ｆＭＥＭＳ ｍｉｒ ａ ｃ ｌ ｒ ｍｅｅ ， ｅ ｏ —ｉ ｃ ｎ ＭＥ — ｉ ｃｏ ｃ ｅｅ ｏ ｔｒ ａ ｎ ｗ ｎ ｎ ｓ ｉｏ ＭＳ ｌ ｃ ｐ ｃｔ ｅ ｍｉ ｒａ ｃ ｌｒ ｍｅｅ ａ ｅ ｎ Ｕ Ｌ ＧＡ ｔｃ ｎ ｌｇ ｎ ｔ ｄ ｔｃ ｉｎ ａ ｄ ｃ ｎｒ ｌｃｒ ｕ ｔ ｏ ｉ ｅ ｅ ｔ ｌ ａ ａ ｉ ｖ ｃ ｏ ｃ ｅｅ ｏ ｔｒｂ ｓ ｄ ｏ Ｖ— Ｉ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ａ ｄ ｉ ｅ ｅ ｔ ｎ ｏ ｔ ｉ ｉ ｆｄ ｆ ｒ ｎ ｉ ｉ ｓ ｏ ｏ ｃ ｓ ｆ ａ
（ 海交通大学 微纳科学技术研究院 ，
摘
要：为 了提高 ＭＥ ＭＳ微加速度计 的量程和抗过载能力 ， 设计 了基于 ｕ —ＩＡ技术 的非硅 Ｍ Ｍ Ｖ ＬＧ Ｅ Ｓ电容
式微加速度计 。针对该 加速度计 ， 计了基于相敏解调 的差分 电容测控 电路 。检 测通道 主要 由前置级 电 设 荷积分放大 电路 、 带通滤波 电路 、 相敏解调器 、 低通滤波 以及 电平转换 电路组成 ， 反馈通道 由低通滤波和加
《新型MEMS电容式加速度传感器检测电路的设计与研究》国家自然基金申请书
国家自然科学基金申请书( 2 0 1 4 版)资助类别：面上项目亚类说明：附注说明：项目名称：新型MEMS电容式加速度传感器检测电路的设计与研究申请人：电话依托单位：中北大学通讯地址：山西省太原市学院路3号邮政编码：单位电话电子邮箱：申报日期：2014年5月23日国家自然科学基金委员会项目组主要参与者（注: 项目组主要参与者不包括项目申请人）说明: 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请人负责填报（含申请人），总人数由各分项自动加和产生。
经费申请表（金额单位：万元）申请者在撰写报告正文时，请遵照以下要求：1、请先选定"项目基本信息"中的"资助类别"，再填写报告正文；2、在撰写过程中，不得删除系统已生成的撰写提纲（如误删可点击“查看报告正文撰写提纲”按钮，通过"复制/粘贴"恢复）；3、请将每部分内容填写在提纲下留出的空白区域处；4、对于正文中出现的各类图形、图表、公式、化学分子式等请先转换成JPG格式图片，再粘贴到申请书正文相应位置；5、本要求将作为申请书正文撰写是否规范的评判依据，请遵照要求填写。
报告正文（一）立项依据与研究内容1．项目的立项依据1.1项目的研究目的、意义以及研究现状制造业是国家工业发展的基石,在保证经济建设、教育进步、科技发展及国家安全中都有着重要的战略地位，《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》以及863计划战略目标均明确地将先进制造技术列为重点攻关领域。
精密位移检测技术与仪器作为制造业中的基础技术与部件，决定了整个制造业的制造精度,可以说是基袖中的基础,其重要性不言而喻,制造业想要腾飞，精密位移检测技术势必需先行一步随着先进制造技术的不断发展与进步，尤其在批量工业生产应用中的不断增加，现代精密位移检测技术的特点发生了深刻变化：在保证检测的高精度、高分辨率的同时,对于大行程、多自由度、小体积、高可靠性、低成本的要求也逐渐增强。
基于MEMS技术的加速度传感器研究
基于MEMS技术的加速度传感器研究近年来，随着科技的发展，MEMS（微机电系统）技术在各个领域的应用越来越广泛。
其中，基于MEMS技术的加速度传感器在运动测量、姿态控制、安全监测等方面具有重要的应用价值。
本文将探讨基于MEMS技术的加速度传感器的原理、制备技术以及应用案例。
加速度传感器是一种能够测量物体加速度或者重力的传感器。
MEMS技术结合了微电子技术和微机械技术，使得传感器的尺寸变得非常小，并且能够批量生产。
基于MEMS技术的加速度传感器通常由微机械加速度传感器和集成电路两部分组成。
微机械加速度传感器通常采用质量悬浮结构，当受到外力作用时，质量将发生位移，由此测量加速度。
制备基于MEMS技术的加速度传感器需要经历多个步骤。
首先，通过光刻技术在硅衬底上形成质量悬浮结构。
然后，将金属电极沉积在衬底上，形成电容结构。
接着，通过刻蚀等工艺，雕刻出质量悬浮结构和电容结构。
最后，借助封装技术和集成电路，将传感器制作完整。
基于MEMS技术的加速度传感器具有许多优势。
首先，尺寸小，可以实现微型化和集成化，方便嵌入各类设备。
其次，价格相对较低，适用于大规模应用。
此外，基于MEMS技术制备的加速度传感器具有很高的灵敏度和稳定性，能够精确测量加速度和重力。
基于MEMS技术的加速度传感器在多个领域有广泛的应用。
在运动测量方面，加速度传感器可以用于测量运动物体的加速度和速度，应用于运动跟踪、步数统计等场景。
在姿态控制方面，加速度传感器可以用于测量物体的倾斜角度和旋转角度，应用于飞行器、机器人等设备的姿态控制。
另外，在安全监测方面，加速度传感器可以用于检测物体的碰撞、震动等，应用于汽车碰撞预警、地震预警等领域。
综上所述，基于MEMS技术的加速度传感器具有广泛的应用前景。
由于其尺寸小、灵敏度高和稳定性好等特点，使得加速度传感器在运动测量、姿态控制和安全监测等方面取得了重要的突破。
未来，随着MEMS技术的不断进步和创新，相信基于MEMS技术的加速度传感器将在更多领域发挥重要作用，为人们的生活带来更多便利和安全。
差分电容式MEMS加速度计的结构设计及仿真
现代电子技术Modern Electronics Technique2023年7月1日第46卷第13期Jul.2023Vol.46No.130引言加速度计作为惯性导航系统的重要组成部分，通常被用于载体加速度的测量。
随着微电子技术和微加工技术的飞速发展，硅微加速度计已经在传感器市场占据了重要的地位[1⁃4]。
电容式微加速度计具有灵敏度高、输出精度高、低频响应好、噪声低、漂移小、功耗低、环境适应能力强和结构简单等优点，可适用于车辆工程和高精度惯性导航等多种领域，是当今加速度计的热点研究方向[5⁃9]。
在两种常见的电容式加速度计结构中，相较于梳齿结构在工艺上难于实现，“三明治”结构则在工艺上更容易实现、成品率高，于是本文设计了一种“三明治”结差分电容式MEMS 加速度计的结构设计及仿真邬润杰1，张伟1，郭子龙2（1.北京信息科技大学传感器重点实验室，北京100101；2.西安工业大学光电工程学院，陕西西安710021）摘要：为了扩大加速度计的测量范围、提高其灵敏度并且控制成本，提出一种差分电容式MEMS 加速度计，并介绍了其敏感机理，即输入加速度时硅质量块产生相应位移，与钯银电极形成差分电容。
通过建立输入加速度、电容差及输出电压三者之间的关系，即可检测z 轴加速度。
使用有限元分析，设置加速度为±100g 范围内，对该加速度计支撑梁厚度变化时其应力、位移变化情况进行计算和分析。
结果表明，差分电容式MEMS 加速度计具有加速度计效应，加速度在±100g 范围内线性度良好。
加速度计在梁厚为0.058mm 时，输入加速度和位移的最佳比例系数为10-7m/g ，其机械灵敏度、位移灵敏度和电容灵敏度较梁厚为0.075mm 时分别提高了10%、38%和37.9%。
该研究为后续结构改进、性能优化奠定了理论基础。
关键词：加速度计；敏感元件；“三明治”结构；差分检测；有限元分析；灵敏度；支撑梁厚度中图分类号：TN37+9⁃34；TN212文献标识码：A文章编号：1004⁃373X （2023）13⁃0147⁃06Structure design and simulation of differential capacitive MEMS accelerometerWU Runjie 1,ZHANG Wei 1,GUO Zilong 2(1.Key Laboratory of Sensors,Beijing Information Science &Technology University,Beijing 100101,China;2.School of Opto⁃electornical Engineering,Xi ’an Technology University,Xi ’an 710021,China)Abstract ：In order to expand the measuring range,improve the sensitivity and control the cost of the accelerometer,a differential capacitive MEMS accelerometer is proposed,and its sensitive mechanism is introduced,that is,when the acceleration is input,the silicon mass will generate corresponding displacement and form differential capacitance with palladium ⁃silver electrode.By establishing the relationship among input acceleration,capacitance difference and output voltage,the z ⁃axis acceleration can be detected.By means of the finite element analysis,the stress and displacement changes of the support beamthickness of the accelerometer are calculated and analyzed within the range of ±100g of acceleration.The results show that thedifferential capacitive MEMS accelerometer has the accelerometer effect,with an acceleration range of ±100g and good linearity.The optimal ratio coefficient for input acceleration and displacement of the accelerometer is 10-7m/g when the beam thickness is 0.058mm.Its mechanical sensitivity,displacement sensitivity,and capacitance sensitivity are increased by 10%,38%,and37.9%compared to the beam thickness of 0.075mm,respectively.This study can lay a theoretical foundation for the subsequent structural improvement and performance optimization.Keywords ：accelerometer;sensitive element;″sandwich″structure;differential detection;finite element analysis;sensitivity;support beam thicknessDOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2023.13.025引用格式：邬润杰，张伟，郭子龙.差分电容式MEMS 加速度计的结构设计及仿真[J].现代电子技术，2023，46（13）：147⁃152.收稿日期：2023⁃01⁃03修回日期：2023⁃01⁃18基金项目：国家自然科学基金资助项目（61372016）；北京市教育委员会科技计划重点项目（KZ201711232030）；传感器北京市重点实验室开放课题基金资助项目（2022CGKF002）147现代电子技术2023年第46卷构的差分电容式MEMS 加速度计。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
电容式MEMS加速度计的设计与制备技术
研究
MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是微机电系统的英
文缩写，是将微米尺度的机械系统集成到微电子芯片中的一种技术。
MEMS技术被广泛应用于各种领域，包括传感器、生物医学、微电子器件等。
其中，MEMS加速度计是一种常用的MEMS传感器，用于测
量物体在三个不同轴向上的加速度，并且可以识别物体的轴向。
电容式MEMS加速度计是MEMS加速度计中一种常用的构型。
它采用了电容原理，通过测量微机械加速度感应器上电容的变化
来检测加速度。
电容式MEMS加速度计的设计与制备技术是MEMS技术领域
内的热门研究方向。
本文将从几个方面论述电容式MEMS加速度
计的设计与制备技术研究进展。
一、基本原理
电容原理是电容式MEMS加速度计工作的基本原理。
电容是
指两个金属板之间的介质的电容量。
当这两个板移动时，电容量
会发生变化。
电容式MEMS加速度计中将一个金属板固定在MEMS芯片上，另一个金属板通过弹簧与芯片相连。
当芯片受到
加速度作用时，会使另一个金属板发生相对运动，从而导致电容
量的变化。
二、主要结构
电容式MEMS加速度计的主要结构包括加速度感应器、电荷
放大器、微控制器等。
加速度感应器是电容式MEMS加速度计的
核心，在其中电容变化进行检测。
一般情况下，电容式MEMS加
速度计中还安装有环境和其他干扰的过滤器以保证测量的准确性。
通过对电容变化进行放大和处理，数据可以传输到微控制器中进
行处理和分析。
三、制备材料
电容式MEMS加速度计的制备材料主要包括金属材料、绝缘
材料、机械支撑材料等。
电容式MEMS加速度计中金属材料一般
采用铝、金、铜等。
这些材料的选择主要考虑其机械性能和电学
性能。
对于绝缘材料的选择，一般会选择具有较好电介质性能的材料，如氧化硅、氮化硅等。
机械支撑材料则需要具有较好的强度和尺
寸稳定性。
四、制备工艺
电容式MEMS加速度计的制备工艺一般分为两个部分，即MEMS芯片制备和封装。
对于MEMS芯片的制备，首先需要进行光刻、蚀刻等工艺，
将加速度感应器加工出来。
然后，需要进行薄膜沉积、电镀等工艺，制备出金属电极和支撑结构。
最后，通过微加工技术将加速
度感应器与芯片上的其他电路相连，形成电容式MEMS加速度计
的整体芯片。
对于封装工艺，需要将芯片封装在金属壳体内并进行密封处理，以保证MEMS芯片的正常工作。
五、应用发展
电容式MEMS加速度计在许多领域有着广泛的应用，如汽车、航空、医疗、智能手机等。
其中，智能手机是电容式MEMS加速度计应用最为广泛的领
域之一。
通过内置电容式MEMS加速度计，智能手机可以实现屏
幕旋转、智能睡眠、计步器等多种功能。
同时，电容式MEMS加
速度计的小尺寸、低功耗和高精度使得它成为智能手机中不可或
缺的部件之一。
总之，电容式MEMS加速度计的设计与制备技术研究不断深入，为许多领域的创新应用提供了有力的支持。
未来，电容式MEMS加速度计将会在自动驾驶、陀螺仪等领域发挥更加重要的
作用。