电容式MEMS惯性线加速度传感器
MEMS加速度传感器地原理与构造
MEMS加速度传感器地原理与构造MEMS加速度传感器的工作原理主要基于惯性原理。
它包含一个微小的质量块，称之为“加速度质量块”，该块一般由硅材料制成，并可以在特定方向上进行微小振动。
当物体受到外力作用时，加速度质量块会受到惯性力的作用而产生位移。
位移的大小与受力的大小成正比，可以通过测量位移的变化来确定物体的加速度。
加速度质量块是传感器的核心部分，它一般采用微电子加工技术制造出来，具有非常小的体积和质量。
为了使其能够在特定方向上进行微小振动，通常采用悬臂梁或弹性结构进行支撑，并通过机械刻蚀或电化学腐蚀等方法制备。
支撑结构是用来支持加速度质量块并保持其在特定方向上的运动，以便能够测量加速度。
常见的支撑结构形式包括单悬臂梁、双悬臂梁和簧片等，结构的设计和制备需要考虑到材料的刚度和弹性系数，以及对加速度的测量范围和精度的要求。
振动系统是用来给加速度质量块提供能量，使其能够在特定方向上进行振动。
常见的振动系统包括电容耦合式和震动感应式，其中电容耦合式是最常见的工作原理。
电容耦合式振动系统主要包含两个电极，一个固定在衬底上，另一个通过弹性结构与加速度质量块相连。
当加速度质量块在振动时，两个电极之间的电容将发生变化，可以通过测量电容变化来确定加速度。
检测系统是用来测量振动信号的变化，并将其转换为电信号输出。
常见的检测系统包括电容式、电阻式和压阻式等。
电容式检测系统通过测量电容的变化来获得加速度信息，电阻式检测系统通过测量电阻的变化来获得加速度信息，压阻式检测系统则通过测量压阻的变化来获得加速度信息。
总的来说，MEMS加速度传感器的原理是基于惯性原理，通过测量加速度质量块的位移变化来确定物体的加速度。
其构造主要包括加速度质量块、支撑结构、振动系统和检测系统。
这些组件相互协作，使传感器能够灵敏地测量加速度，并将其转换为电信号输出。
MEMS加速度传感器具有体积小、功耗低、响应快等优点，在汽车、智能手机、运动追踪器等领域有着广泛的应用前景。
浅谈MEMS惯性传感器
浅谈MEMS惯性传感器
据麦姆斯咨询报道，高精度惯性传感器主要用于工业、国防和航空航天领域的倾角、加速度和振动测量。
惯性传感器作为MEMS器件，以单晶硅传感器元件为基础，采用最新的微机械加工技术制造。
各种惯性传感器产品采用的微机械加工工艺可能有所不同，但都各有特点。
由First Sensor公司开发的用于MEMS产品的微机械加工工艺，推出的创新产品系列包括加速度计等惯性传感器，并结合了以前版本的优点。
这将有利于提高MEMS产品性能，高度改善性价比，用于更多的新应用，如地质工程、状态监测、导航和机器人等。
高精度MEMS加速度计可以做什幺？微型MEMS加速度计可以测量物体在空间三个维度的加速度。
MEMS惯性传感器是经证明为非常坚固、可靠、快速且温度稳定的先进产品，还能够检测位置和加速度的最小变化。
上图中的倾角计可以达到的极高分辨率，甚至可以检测直径为100μm的单根头发通过10米长木板引起的偏转，相当于仅0.0005°（2弧秒或10μm/ m）的偏转。
数字化未来物联网的关键技术包括MEMS传感器。
持续的数字化推动MEMS加速度计和倾角计也加入其中。
例如，未来惯性传感器将可以实现智能编程，并将配备微控制器、微型电池或微型无线射频芯片，以便在线发送测量数据。
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。
MEMS加速度传感器
2021/10/10
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电容式加速度传感器
电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器，其中一个电极 是固定的，另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力(气压、液压等)作用下发 生位移，使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流(或液流)的振动速度(或加 速度)，还可以进一步测出压力。
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其他类型加速度传感器
3.热对流加速度计
一个被放置在芯片中央的热源在一个空腔中产生一个悬浮的热气团，同时由铝和 多晶硅组成的热电偶组被等距离对称地放置在热源的四个方向。在未受到加速度 或水平放置时，温度的下降陡度是以热源为中心完全对称的。此时所有四个热电 偶组因感应温度而产生的电压是相同的。
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压阻式加速度传感器
工艺流程
(a)
在硅片两侧积淀氮化硅。
(b)
在硅片的前侧积淀第一层多晶硅牺牲层，然后制作第一层。
(c)
在硅片的前侧积淀第二层氮化硅，并在硅片后侧积淀第一层氮化硅。
(d)
制作前侧和后侧。
(e)
积淀并制作金属层（镍）。
(f)
各向异性腐蚀来得到沟槽。
压电式
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压电式加速度传感器是利用某些物 质如石英晶体的压电效应，在加速 度计受振时，质量块加在压电元件 上的力也随之变化。
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新 新 新 成熟
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其他类型加速度传感器
1.光波导加速度计
光波导加速度计的原理如下图所示：光源从波导1进入，经过分束部分后分成两部 分分别通入波导4和波导2，进入波导4的一束直接被探测器2探测，而进入波导2的 一束会经过一段微小的间隙后进入波导3，最终被探测器1探测到。有加速度时， 质量块会使得波导2弯曲，进而导至其与波导3的正对面积减小，使探测器1探测到 的光减弱。通过比较两个探测器检测到的信号即可求得加速度
基于MEMS的微型加速度传感器研究
基于MEMS的微型加速度传感器研究在当今科技飞速发展的时代，传感器作为获取信息的关键器件，在众多领域发挥着至关重要的作用。
其中，基于 MEMS（微机电系统）技术的微型加速度传感器凭借其体积小、重量轻、功耗低、集成度高等显著优势，成为了研究的热点。
MEMS 技术的出现为微型加速度传感器的发展带来了革命性的变化。
传统的加速度传感器通常体积较大、成本较高，限制了其在一些对空间和成本敏感的应用中的使用。
而 MEMS 技术通过微加工工艺，能够在微小的硅片上制造出复杂的机械结构和电子线路，从而实现传感器的微型化。
微型加速度传感器的工作原理主要基于惯性原理。
当物体发生加速度运动时，质量块会受到惯性力的作用，从而产生位移或应力的变化。
通过检测这些变化，并经过一系列的信号处理和转换，就能够得到加速度的数值。
常见的检测方式有电容式、压阻式和压电式等。
电容式微型加速度传感器是利用电容的变化来检测质量块的位移。
在这种传感器中，通常有两个平行的极板，其中一个是固定的，另一个与质量块相连。
当加速度作用时，质量块的位移会导致电容值发生变化，通过测量电容的变化就可以得到加速度的信息。
压阻式微型加速度传感器则是基于半导体材料的压阻效应。
当质量块产生位移时，会引起电阻值的变化，通过测量电阻的变化来计算加速度。
压电式微型加速度传感器利用压电材料的压电效应来检测加速度。
当受到应力作用时，压电材料会产生电荷，通过测量电荷的变化来获取加速度的大小。
在 MEMS 微型加速度传感器的设计中，需要考虑众多因素。
首先是结构设计，要确保传感器具有足够的灵敏度和测量范围，同时还要考虑其稳定性和可靠性。
材料的选择也至关重要，需要具备良好的机械性能和电学性能。
此外，制造工艺的精度和一致性对传感器的性能有着直接的影响。
MEMS 微型加速度传感器在众多领域都有着广泛的应用。
在汽车工业中，它们被用于汽车安全系统，如碰撞检测和气囊触发。
在消费电子领域，如智能手机、平板电脑等设备中，用于自动旋转屏幕、运动检测等功能。
电容感应式加速度传感器的研发与应用
电容感应式加速度传感器的研发与应用引言：电容感应式加速度传感器是一种广泛应用于工业、军事、航空航天、汽车、医疗等领域的传感器。
其原理是利用微型振荡器的震动来检测物体的加速度，并将其转换为电信号输出。
相比于传统的机械式加速度传感器，电容感应式加速度传感器具有更高的灵敏度、更广的频率响应范围和更低的车载噪声等特点，因此在现代化的物联网、智能化设备和智能汽车等领域有着广阔的应用前景。
一、电容感应式加速度传感器的原理和结构电容感应式加速度传感器利用微型振荡器在加速度作用下的共振频率变化来测量加速度。
其基本结构包括三个部分: 振动体、电容传感器和电路放大器，如图1所示。
1、振动体振动体是电容感应式加速度传感器中最核心的部分。
它通常由微压电晶体或微加速度计组成，具有高弹性和高刚度。
振动体在加速度作用下发生振动，产生共振频率变化信号。
2、电容传感器电容传感器是检测振动体共振频率变化的关键组件。
其结构通常是由贴片、自支撑浮动板和定向器组成的，以达到快速响应和高信噪比的目的。
当振动体振动时，自支撑浮动板会受到加速度作用而发生偏移，使定向器和振动体之间的电容值发生变化，而这个变化的大小可以直接反映加速度的大小。
3、电路放大器电路放大器是用来放大和处理电容传感器产生的电容变化信号的。
它可以通过滤波、放大和ADC转换完成信号的预处理，并将信号输出到设备控制器或者计算机上。
二、电容感应式加速度传感器的制造工艺和测试方法电容感应式加速度传感器的制造工艺主要分为以下几步：1、振动器的制造振动器的制造部分通常分为两个步骤: (1) 振动器芯片的制造; (2) 振动器芯片的封装。
制造振动器芯片的常见工艺包括LIGA技术、MEMS集成技术、微机电技术等。
在这里不做详细介绍，主要是在制造振动器芯片后, 用有机玻璃、PDMS、热塑性塑料等封装材料对振动器芯片进行封装。
2、电容传感器的制造电容传感器是电容感应式加速度传感器中另一个关键的部件。
《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。
mems加速度传感器原理
mems加速度传感器原理加速度传感器是一种常见的MEMS（微机电系统）传感器，用于测量物体在三个轴向上的加速度。
它是由微小的机械结构和敏感器件组成，通过测量物体对这些结构的力的变化来确定加速度大小。
本文将介绍mems加速度传感器的工作原理及其应用。
一、mems加速度传感器的工作原理mems加速度传感器通常由质量块、弹簧和电容等组件构成。
当物体受到加速度作用时，质量块会受到力的作用而发生位移，而弹簧会受到拉伸或压缩。
这些位移和变形将导致电容的改变，从而通过电容变化来测量加速度。
具体来说，mems加速度传感器利用了电容的变化来测量加速度。
传感器中的质量块被固定在一个支撑结构上，并与支撑结构之间通过弹簧连接。
当物体受到加速度作用时，质量块会发生位移，而弹簧则会产生相应的拉伸或压缩。
这种位移和变形将导致质量块与支撑结构之间的电容发生变化。
mems加速度传感器中的电容通常由两个金属板构成，它们分别与质量块和支撑结构相连。
当质量块发生位移时，金属板之间的距离会发生改变，进而改变了电容的值。
这种电容的变化可以通过电路进行测量和分析，从而得到加速度的值。
二、mems加速度传感器的应用mems加速度传感器具有体积小、功耗低、成本低等优点，因此在许多领域得到广泛应用。
1. 汽车安全系统：mems加速度传感器可用于汽车的安全气囊系统和车辆稳定性控制系统。
通过测量车辆的加速度，可以及时触发气囊的放出，以保护乘客的安全。
同时，加速度传感器还可以监测车辆的姿态和动态参数，为车辆稳定性控制提供依据。
2. 手机和智能设备：mems加速度传感器广泛应用于手机和智能设备中，用于实现自动旋转屏幕、晃动动作识别、步数计数等功能。
通过测量设备的加速度，可以实现多种智能交互方式，提升用户体验。
3. 工业监测和控制：mems加速度传感器可用于工业设备的监测和控制。
例如，可以用于测量机械设备的振动和冲击，从而判断设备的工作状态和健康状况，及时进行维护和修理。
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一种电容式MEMS惯性线加速度传感器的设计
1 MEMS加速度传感器
微加速度传感器是在90年代中期开始广泛用于汽车的安全气囊、振动补偿和防滑系统等方面，用于提高汽车的可操纵性，安全性和舒适性。
目前汽车上应用的MEMS传感器主要有气囊加速度传感器，轮速旋转传感器，胎压传感器，制冷压力传感器，发动机油压传感器，刹车压力传感器和偏离速率传感器等。
在今后的几年中MEMS加速度传感器将大量地应用到汽车中。
1.1 MEMS加速度传感器的分类
1、压阻式
压阻式加速度传感器是最早开发的硅微加速度传感器，1979就有相关方面的报道。
利用加速度的改变就会导致其上面扩散电阻的阻值发生改变，从而有不同的电压输出，反映了此时加速度的大小。
压阻式传感器的优点在于它直接输出电压信号，不需要复杂的电路接口。
缺点是温度漂移较大，对安装和其它的应力也很敏感，而且使用温度有限制。
2、压电式
它利用压电晶体、聚合物薄膜或压电陶瓷等对压力敏感的材料，采用与压阻式加速度传感器类似的结构，由压电材料替代压阻材料去敏感加速度的变化。
但因为这类材料的漏电流效应和热电效应的影响，这类器件一般无法测量静态加速度的大小。
另外造价很高也是其不足之处。
3、谐振式
此类加速度传感器上有一个微型谐振器，当作用在谐振器上的应力随加速度的不同而发生改变时，谐振频率会发生变化。
由此关系可以测量出感受到的加速度大小。
此类传感器的测量精度高，但由于热激励源有时会引起不必要的热应力从而影响其测量精度。
另外结构复杂也是其弱点之
4、热电偶式
它利用一个扩散架热电阻向传热板传热，传热速度与加速度有关，由此实现对加速度的测量。
这种传感器的优点是热电偶具有很高的灵敏度，能直接输出电
压信号。
缺点是频率响应范围低。
5、电容式
在这种结构的传感器中，可运动的质量块构成了可变电容的一个可动电极。
当质量块受加速度作用而产生位移时，由固定电极和可动电极之间构成的电容量发生变化，将这种变化量用外围电路检侧出来就可测量加速度的大小。
为了获得较高的灵敏度和减小外围电路的复杂性，在设计中都采用增加电极面积和减小电极间距来获得较高的等效电容。
为了增加输出信号的分辨率，常采用差动式的测量结构。
另外，还有光纤式、电磁式等一些其它的加速度传感器。
1.2 MEMS电容式加速度传感器分类及应用
在以上研究的加速度传感器中，电容式加速度传感器具有灵敏度高、动态范围宽、温度效应小、阻尼特性好、结构简单和体积小等优点，因此是目前研究和应用最多的硅微加速度传感器。
电容式传感器通常分为三种结构:平板式加速计、梳齿型叉指式传感器、扭转式传感器。
平板式加速计(又称三明治式加速计)，属于变间距式，其两个感应电极分别位于质量块和封装的外壳内部。
加速度信号引起质量块运动，从而改变电容极板间距。
平板电容式传感器一般作为单轴加速度传感器。
这种结构的加速度传感器一般使用体硅加工技术，制造出来的传感器分辨率很高，但是封装较困难，一般需要结合键合技术，这给制造工艺带来了较大的麻烦。
梳齿型叉指式感应电容，包含变间距和变面积两种。
变间距式的如差分电容式传感器，它由质量块，支撑梁、固定电极组成。
当加速度信号到来时，质量块在加速度作用下向下移动，从而导致差分电容极板之间初始间距d变为d+△d 和d+△d，电容容值发生变化。
扭转式传感器是通过改变感应面积实现检测的目的。
加速度信号作用在扭转梁上，使扭转质量块发生扭转，梳齿感应极板的有效感应面积发生改变，从而导致电容值发生改变。
通常变面积的微型电容极板所受空气的滑膜阻尼影响较小，灵敏度较高。
通常电容式传感器采用变间距和变面积结合的梳栅型结构。
目前高精度、高分辨率的MEMS电容式加速度传感器在卫星通讯、导弹制导控制、地震探测、惯性导航、GPS、以及水下声学测量等方面应用广泛。
MEMS
电容式加速计由于其尺寸非常小，容易受到噪声、温度、空气阻尼、工艺等因素的影响，因此在进行器件设计时应综合考虑多种因素。
2 传感器结构设计及制作流程
2.1 传感器结构及工作原理
对于变间距的电容极板，本文主要采用梳齿型结构。
电容结构图如下。
图1 电容结构示意图
其中序号1所示范围是槽型电极板为固定电极，开槽的极板为可动电极。
采用梳型叉指结构不但可以增大感应电容，且可动极板在横向运动的幅度非常小，对系统的性能影响比较小。
另外将凹槽开在固定极板上，保证了可动质量块的质量，从而在减小阻尼的同时，保证系统机械噪声跟阻尼成正比的关系。
图中虚线2所指的范围为栅形电容结构，底部为固定电极，通过质量块运动，而与底部电极形成差分电容。
当惯性信号作用到振动梁上时，电容极板就会产生微小的位移，从而间隙处的电容值发生变化，总电容值也发生改变。
2.2 制作工艺流程
本文所设计的MEMS电容式微加速度传感器主要采用双面单晶硅片进行制作，其电阻率较低，仅为0.01。
器件加工制作工艺主要包括光刻、硅玻璃键合技术和深度反应离子刻蚀技术等。
其具体的加工制作工艺过程如下:
(a)准备一块双面的单晶硅硅片。
对硅片用浓硫酸进行清洗，然后放入氧化炉中，温度调到1150℃进行热氧化，交替进行干氧化和湿氧化形成氧化硅薄膜作为牺牲层。
(b)使用键合区掩模板对该单晶硅片进行首次光刻，并利用温度为50℃，浓度为50%的氢氧化钾溶液腐蚀掉表面未有光刻胶的的。
(c)根据掩模板的图形刻蚀硅片，从而形成相应的硅玻璃键合区域。
(d)去除硅片表面未被腐蚀掉的。
(e)准备一块玻璃基片。
并采用与步骤(a)相同方法清洗玻璃片。
(f)在玻璃表面溅射一层金属铝Al。
(g)然后利用铝电极掩膜板对玻璃基片进行第二次的光刻，形成栅形铝电极图形。
(h)并利用硅玻璃键合工艺，通过专门的键合设备，设置键合温度为400℃，将硅片和玻璃衬底键合在一起。
(i)打磨减薄硅片到需要的厚度。
形成微谐振器的结构，包括可动质量块、梁、梳齿等等。
使用质量块区的掩模板对键合后的硅面进行淹没光刻，再通过DRIE工艺对器件进行刻蚀，释放质量块结构，完成硅片上的器件制作。
(j)最后，利用结构层掩膜板3，在硅片上实行第三次光刻，通过深度反应离子刻蚀工艺对器件进行刻蚀，制作出需要的微加速度传感器的相应结构。
最终生产出来的器件通过划片分离成单个器件，进行单独的封装。
详细制作流程图如图2。