基于表面微机械技术的压阻式加速度传感器
MEMS中的微传感器
MEMS中的微传感器微机电系统（Microelectro Mechanical Systems,MEMS）是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。
完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。
其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。
在微机加工技术的推动下，微机械传感器，特别是力敏传感器获得了很大的发展，其中的一些代表性产品如压力传感器尤为突出，压力传感器在市场的推动下向更高性能化方向发展，加速度传感器已商品化，微机械陀螺产品也开始展露头脚。
而微机技术在其它各类传感器中的应用例子则比比皆是。
现在，甚至纳微级的传感器也行将问世。
微机械压力传感器微机械压力传感器是最早开始研制的微机械产品，也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化的产品。
从信号检测方式来看，微机械压力传感器分为压阻式和电容式两类，分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造。
在现有技术下，压阻式压力传感器的精度可达0.05％～0.01％,年稳定性达0.1％/F.S,温度误差为0.0002％,耐压可达几百兆帕,过压保护范围可达传感器量程的20倍以上,并能进行大范围下的全温补偿。
现阶段微机械压力传感器的主要发展方向有以下几个方面：(1)将敏感元件与信号处理、校准、补偿、微控制器等进行单片集成，研制智能化的压力传感器。
(2)进一步提高压力传感器的灵敏度，实现低量程的微压传感器。
(3)提高工作温度，研制高低温压力传感器。
（4）开发谐振式压力传感器。
MEMS压力传感器主要应用于汽车引擎控制、油压控制、车载空调等方面，近几年按数量计算，汽车用途占到93％。
今后微机械压力传感器还将持续以汽车用途为中心的市场趋势。
微加速度传感器硅微加速度传感器是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。
MEMS加速度计的原理及应用
MEMS加速度计的原理及应用MEMS加速度计（Microelectromechanical Systems Accelerometer）是一种基于微电子机械系统的加速度测量器件。
它利用微电子技术和微米制造工艺，将加速度的作用转化为电信号的变化，从而实现对物体的加速度测量。
MEMS加速度计的原理是利用微机械结构和微运动质量的特性。
一般来说，MEMS加速度计由微型质量块和弹簧支撑系统组成，当物体发生加速度改变时，弹簧支撑系统会受到力的作用，从而导致微型质量块产生相应的位移。
这个位移可以通过微电子传感器转化为电信号，进而进行处理和分析。
1.手机和消费电子产品：MEMS加速度计被广泛应用在手机和其他消费电子产品中，用于实现自动屏幕旋转、运动感应游戏、姿势识别和手势控制等功能。
2.汽车安全系统：MEMS加速度计可用于汽车安全系统中，如气囊部署系统。
当车辆发生碰撞或急刹车等意外情况时，加速度计可以检测到车辆的加速度变化，并触发相应的安全机制。
3.工业监测：MEMS加速度计可以用于工业监测中，如机械设备的振动监测。
通过检测设备振动的频率和幅度，可以预测设备的健康状况和可能的故障。
4.体感游戏和虚拟现实（VR）设备：MEMS加速度计可以用于体感游戏和虚拟现实设备中，如头戴式显示器。
通过感应用户的头部和身体的运动，可以实现更加真实和沉浸式的游戏和虚拟体验。
5.医疗领域：MEMS加速度计可以用于医疗监测和诊断中，如运动追踪和睡眠监测。
通过监测运动和睡眠的模式和质量，可以帮助医生评估患者的健康状况。
6.运动跟踪器：MEMS加速度计在运动跟踪器中被广泛应用，如智能手环和运动手表。
它可以实时监测用户的步数、距离、卡路里消耗和睡眠质量等信息。
总结起来，MEMS加速度计是一种基于微电子机械系统的加速度测量器件，它通过微机械结构和微运动质量的特性，将加速度的作用转化为电信号的变化。
这种技术在手机、汽车安全系统、工业监测、体感游戏、医疗领域和运动跟踪器等领域有着广泛的应用。
加速度传感器的工作原理
加速度传感器的工作原理
加速度传感器是一种用于测量物体加速度的装置，它的工作原理基于牛顿第二定律。
加速度传感器通常采用微机电系统（MEMS）技术，其中包括微机械加速度传感器和微机械压电加速度传感器两种类型。
在微机械加速度传感器中，关键部件是一个微小而灵敏的质量。
当物体发生加速度时，该质量会受到惯性力的作用，从而引起质量发生位移。
位移导致质量与支撑结构之间的弹性变化，产生电容值的变化。
通过测量电容值的变化，就可以确定物体的加速度。
而微机械压电加速度传感器则是利用压电效应来测量加速度。
压电材料在受力后会产生电荷，从而生成电压信号。
加速度传感器中的压电材料通常被固定在物体的结构上，当物体发生加速度时，压电材料受到力的作用，产生电荷和电压变化。
通过测量电压信号的变化，就可以获得物体的加速度信息。
无论是微机械加速度传感器还是微机械压电加速度传感器，它们都需要一个信号处理电路来转换、放大和解读传感器输出的电信号。
常见的信号处理电路包括模拟滤波器、放大器和模数转换器等，这些电路可以将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，从而实现对加速度的准确测量和计算。
总之，加速度传感器的工作原理是基于物体的加速度对质量
或压电材料产生的作用力引起的位移或电荷变化，通过测量位移或电荷变化来确定物体的加速度。
mems传感器原理
mems传感器原理MEMS传感器原理一、引言MEMS（Micro Electro-Mechanical Systems）传感器是一种微型传感器技术，通过将微机电系统与传感器技术相结合，实现了在微尺度上感知和测量各种物理量的能力。
本文将介绍MEMS传感器的原理和工作方式。
二、MEMS传感器的构成MEMS传感器通常由微机电系统（MEMS）和传感器元件两部分组成。
MEMS部分由微小的机械结构组成，通过微加工工艺制造而成，包括微加速度计、微陀螺仪、微压力传感器等；传感器元件则是通过MEMS部分感知和转换物理量，如加速度、角速度、温度、压力等。
三、MEMS传感器的工作原理1. 加速度传感器原理加速度传感器是MEMS传感器中最常见的一种类型。
它利用微机电系统中的微小质量块和微弹簧构造，通过测量微小弹簧的位移来感知加速度。
当受到外力作用时，微小质量块将发生位移，通过测量位移的变化来计算加速度的大小。
2. 陀螺仪原理陀螺仪是一种用于测量角速度的MEMS传感器。
它利用了旋转物体的角动量守恒原理。
陀螺仪中的微机电系统结构包括一个微小的旋转质量块和微弹簧。
当陀螺仪受到角速度作用时，旋转质量块会产生角动量，通过测量角动量的变化来计算角速度的大小。
3. 压力传感器原理压力传感器利用微机电系统中的微小薄膜结构来感知压力变化。
微小薄膜受到外部压力作用后，会发生微小位移，通过测量位移的变化来计算压力的大小。
薄膜的材料和结构设计对传感器的灵敏度和精度有重要影响。
4. 温度传感器原理温度传感器是一种基于热敏效应的MEMS传感器。
它利用了温度变化对材料电阻或电容的影响。
传感器中的热敏元件受到温度变化的影响，导致电阻或电容发生变化。
通过测量电阻或电容的变化来计算温度的大小。
四、MEMS传感器的应用MEMS传感器在各个领域有广泛的应用。
在汽车行业中，MEMS传感器被用于车辆稳定性控制、空气袋系统和安全气囊等。
在智能手机和可穿戴设备中，MEMS传感器被用于加速度计、陀螺仪和磁力计等。
微机械加速度计误差分析与补偿技术
03
微机械加速度计误差来源
标度因数误差
总结词
标度因数误差是指微机械加速度计在测量加速度时，实际输出值与理论输出值 之间的偏差。
详细描述
标度因数误差主要由制造过程中的不准确性和装配误差引起，如敏感元件的尺 寸、形状和质量的偏差，以及结构参数的不准确性。此外，标度因数误差还可 能受到温度、压力和湿度等环境因素的影响。
在恒定的加速度输入下，加速度计的输出存在一定的偏差，表现为零点偏移和灵敏度误差。
动态测试结果
在动态变化加速度输入下，加速度计的输出存在跟随误差和幅值误差。
结果分析
零点偏移误差分析
由于制造工艺和结构的不完善，加速度计在无加速度输入 时会产生零点偏移误差。可通过温度补偿、时间漂移补偿 等措施减小误差。
国内
随着微机械加速度计研究的深入，国内学者也开始关注其误差分析和补偿技术。虽然起步较晚，但在国家政策支持和 企业需求的推动下，国内的研究进展迅速，取得了一定的研究成果。
存在的问题
尽管国内外学者在微机械加速度计误差分析和补偿方面取得了一定的成果，但仍存在一些问题。例如， 误差模型的建立不够精确，补偿算法的鲁棒性有待提高等。因此，仍需进一步深入研究微机械加速度计 误差分析和补偿技术。
跟随误差分析
跟随误差是由于加速度计对加速度输入的响应速度较慢而 产生的误差。可通过优化电路参数、采用数字滤波器等措 施减小误差。
灵敏度误差分析
由于传感器内部参数变化、温度变化等因素影响，加速度 计的灵敏度会发生变化，导致测量误差。可通过标定、温 度补偿等措施减小误差。
幅值误差分析
MEMS压力传感器的结构与工作原理及应用技术
MEMS压力传感器的结构与工作原理及应用技术MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微电子机械系统）压力传感器是一种利用微加工技术制造的微小化压力传感器。
它的结构与工作原理主要有晶体硅薄膜结构、电容式结构和热敏电阻式结构。
一、晶体硅薄膜结构是MEMS压力传感器最常见的结构形式之一、其基本结构包括压阻结构、桥电路和信号处理电路。
压阻结构由压敏电阻、硅晶片、基座和开孔组成。
通过外加压力使压敏电阻发生应变，进而改变电阻值，检测到的变化通过桥电路产生电压信号，经信号处理电路放大、滤波和线性化等处理后，输出与压力成正比的电信号。
二、电容式结构是另一种常见的MEMS压力传感器结构形式。
其基本结构包括电容器和悬梁。
电容器由两个金属电极和介电层构成，当外界施加压力时，悬梁固定端会发生微小变形，从而改变电容值，进而检测到的变化通过信号处理电路放大、滤波和线性化等处理后，输出与压力成正比的电信号。
三、热敏电阻式结构是一种利用热调制技术实现压力测量的MEMS压力传感器结构形式。
其基本结构是热敏电阻和温度传感器。
通过加热热敏电阻，使其温度升高，从而产生温度随压力变化的换算电阻变化。
测量到的电阻变化通过温度传感器转换为电压信号，经信号处理电路放大、滤波和线性化等处理后，输出与压力成正比的电信号。
在工业自动化领域，MEMS压力传感器可以应用于液压系统、气动系统、流量控制、压缩机等设备中，用于监测和控制压力。
在汽车电子领域，MEMS压力传感器可以应用于汽车发动机管理系统、车身悬挂系统、刹车系统等，用于精确测量和控制各个系统的压力。
在医疗器械领域，MEMS压力传感器可以应用于血压监测、呼吸机、心脏起搏器等设备中，用于精确测量患者的生理压力。
在消费电子领域，MEMS压力传感器可以应用于智能手机、平板电脑、手表等设备中，用于实现触摸屏、步数计、海拔计等功能。
总之，MEMS压力传感器以其微小化、高精度、低成本的特点，广泛应用于各个行业和领域，提供了可靠的压力测量和控制解决方案。
MEMS加速度计
MEMS加速度计MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）加速度计是一种集成了微电子技术、微机械技术和传感器技术的微型加速度计。
MEMS加速度计以微机电系统技术为基础，利用微型机械结构和微电子技术制作而成的一种传感器。
其结构通常包括一个质量并且可以在三个不同方向上移动的臂梁，一些感应电极以及一个基座。
当加速度计受到外部加速度作用时，质量会受力发生偏移，从而导致感应电极的电荷和电场发生变化，通过测量这些变化，就可以得到外部加速度的信息。
MEMS加速度计主要有压电加速度计和电容加速度计两种类型。
压电加速度计是利用压电效应实现加速度测量的，当受到外部加速度作用时，压电材料产生电荷，从而产生电压输出。
电容加速度计是基于电容变化原理设计的，当加速度计产生加速度时，微机械结构中的电容会发生变化，通过测量电容变化就可以得到加速度的信息。
由于压电加速度计和电容加速度计都是微型化设计，制作工艺成熟，因此MEMS加速度计具有尺寸小、功耗低、成本低和可靠性高等特点。
MEMS加速度计广泛应用于许多领域，特别是在移动设备、汽车、航空航天、智能穿戴设备和工业自动化等领域。
在移动设备方面，MEMS加速度计可用于屏幕旋转、晃动控制和跌落检测等功能。
在汽车领域，MEMS加速度计能够实现碰撞检测、车身稳定控制和自动泊车等功能。
在航空航天领域，MEMS加速度计可用于姿态测量和导航系统。
在智能穿戴设备方面，MEMS加速度计可用于步数统计、睡眠监测和运动追踪等功能。
在工业自动化领域，MEMS加速度计可用于振动检测和故障诊断等应用。
然而，MEMS加速度计也存在一些问题。
首先，由于其微小尺寸，对温度、湿度和振动等环境因素的影响较大，可能会导致测量误差。
其次，MEMS加速度计的精度和分辨率相对较低，对微小加速度的测量不够敏感。
此外，MEMS加速度计的线性度和漂移等问题也需要进一步优化和改进。
综上所述，MEMS加速度计作为一种集成了微电子技术、微机械技术和传感器技术的微型加速度计，在各个领域有着重要的应用价值。
微纳米技术
微纳米技术国内外发展现状——————微加速度传感器 MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。
微电子机械系统技术是建立在微米/纳米基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。
MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。
它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。
这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。
它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。
完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。
其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。
它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。
微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。
基于MEMS技术的微型传感器是微机电系统研究中最具活力与现实意义的领域。
微加速度传感器作为微传感器的重要分支一直是热门的研究课题。
本文基于对微加速度传感器研究现状的综述，探讨了微加速度传感器的发展趋势。
微加速度传感器是一种十分重要的力学敏感传感器，其研究与开发始于80年代初，是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。
我国从1992年开始致力于微加速度传感器的研究，清华大学、重庆大学、北京大学、东南大学、电子工业部第十三所、中科院上海冶金研究所等单位均开展了各种结构的微型加速度传感器的研究，并取得了一些阶段性成果，但尚未具备批量生产的能力，与产业化相距甚远。
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基于表面微机械技术的压阻式加速度传感器
发表时间：
2018-06-19T16:21:48.490Z 来源：《电力设备》2018年第3期 作者： 荆跃
[导读] 摘要：目前，市场上主流的MEMS压阻式加速度传感器，是基于体硅微机械加工技术制造的。
（内蒙古大唐国际新能源有限公司 内蒙古呼和浩特 010050）
摘要：目前，市场上主流的MEMS压阻式加速度传感器，是基于体硅微机械加工技术制造的。体硅微机械加工技术，一直以来被广泛
用于
MEMS器件尤其是加速度和压力传感器的生产制作中。但表面微机械加工技术中，用薄膜工艺制造大的惯性质量块比较困难，从而因
惯性灵敏度过低限制了表面微机械技术在压阻式加速度传感器上的应用。本文介绍了微机械加工技术，并对制作的加速度传感器样品进行
了测试。
关键词：微加工；微压阻式；传感器
微机械技术是近十几年来新出现的一门技术，它对现代科技的影响，将超过曾经出现过的晶体管，堪称为跨时代的技术。同时一些有
远见的科学家设想一个真正的系统应该有输入和输出两个通道，于是又引出了固态执行器的概念。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。
一、微机械加工技术
微机械加工技术的基础是微电子工业，为了制造出更大规模的集成电路芯片，各技术发达国家都在积极地向着制作出更小线宽的芯片
而努力，目前可制作的最小线宽已达
0.1～0.2μm。而在微机械加工技术中，直接采纳了集成电路制造的技术，如集成硅压力传感器、集成
温度传感器等。采用与标准集成电路工艺相兼容的技术来制作微机械器件，将标准双极型与
CMOS型集成电路工艺与微机械制作工艺相兼
容，是
MEMS的重要方面。在微机械工艺中，系统的集成技术包括系统的底盘、组装和连线，主要涉及的技术有：
（1）硅技术、厚膜薄膜技术、微加工技术和激光技术；
（2）键合主要有芯片粘接、共熔键合、焊接、玻璃封接和静电封接等；
（3）接线主要有压焊、倒装式焊接、带自动焊接；近来，不同片子相互键合的重要性越来越明显；它主要应用在SOI结构、三维IC器
件和三维微机械元件等方面。在硅微电子机械加工技术中
SiGlass阳极键合和Si-Si直接键合是目前广泛采用的方法[1]。
目前，氧化、光刻、腐蚀、掺杂、金属喷镀、锯切、引线焊接技术业已成熟，新近发展的湿法各向异性腐蚀、干法腐蚀、LIGA技术、
阳极键合、硅熔键合已变成非常实用的技术，可以用以形成微米级的孔、槽、台面、悬臂梁和质量块等多种复杂的几何形状
[2]。微机械技
术已开始走出实验室，进入实用阶段，但现在
MEMS仍处于高投入低产出状态，很重要的问题是如何形成批量生产。在Transducer′会议上，
与微机械加工有关的论文（讨论微机械加工技术和利用微机械加工技术制作传感器和执行器的论文）占全部论文的百分比逐届上升，已达
总数的
60%～70%，由此可见，微机械加工技术已经确立了它在固态传感器与执行器方面的主导地位。
二、MEMS的硅微压阻式加速度传感器的设计
1
、传感器结构及工作原理。压阻式加速度传感器是最早开发的硅微加速度传感器，弹性元件的结构形式一般均采用微机械加工技术形
成硅梁外加质量块的形式，利用压阻效应来检测加速度。在双端固支梁结构中，质量块像活塞一样上下运动，该结构形式的传感器示意
图，如图所示。
2
、压阻式加速度传感器。压阻式加速度传感器是最早开发的硅微型加速度传感器，也是当前使用较多的一种。随着对硅微型加速度计
原理研究的深入以及工艺实现的多样性，硅微型加速度传感器的种类日益繁多，各种应用于不同场合下的硅微型加速度计层出不穷，对硅
微型加速度计的研究也越来越受到人们的重视。压阻式加速度传感器体积小、频率范围宽、测量加速度的范围宽，直接输出电压信号，不
需要复杂的电路接口，大批量生产时价格低廉，可重复生产性好，可直接测量连续的加速度和稳态加速度，但对温度的漂移较大，对安装
和其它应力也较敏感，它不具备某些低
gn值测量时所需的准确度。
3
、压阻式硅微加速度传感器结构形式
1
）结构形式。压阻式加速度传感器的弹性元件一般采用硅梁外加质量块，质量块由悬臂梁支撑，并在悬臂梁上制作电阻，连接成测量
电桥。在惯性力作用下质量块上下运动，悬臂梁上电阻的阻值随应力的作用而发生变化，引起测量电桥输出电压变化，以此实现对加速度
的测量
[1]。压阻式硅微加速度传感器的典型结构形式有很多种，已有悬臂梁、双臂梁、梁和双岛梁等结构形式。弹性元件的结构形式及尺
寸决定传感器的灵敏度、频响、量程等。质量块能够在较小的加速度作用下，使得悬臂梁上的应力较大，提高传感器的输出灵敏度。在大
加速度下，质量块的作用可能会使悬臂梁上的应力超过屈服应力，变形过大，致使悬臂梁断裂。为此高
gn值加速度拟采用质量块和梁厚相
等的单臂梁和双臂梁的结构形式。
2
）梁结构的有限元模型。Aasys是一个可在微机上使用的综合性有限元软件，是微机电系统设计中广泛使用的有限元分析软件。通过
有限元的分析计算可以预测悬臂梁上引力分布、固有频率、可测最大加速度等，进而指导梁结构参数的选取。经过对梁结构有限元的计算
分析选取单臂梁、双臂梁结构参数，如表所示。
4
、压阻式硅微型加速度传感器加工工艺
压阻式传感器的悬臂梁常采用CVD工艺在硅片上外延生长一层外延层刻蚀而成，试用键合工艺制造压阻式加速度传感器。采用键合工
艺优点是能得到高质量的外延层，且悬臂梁的厚度通过硅片减薄工艺易于得到保证，精细的硅片单面研磨，厚度误差可以控制在
0.5μm以
内；且不需要电化学自停止腐蚀，依靠
EPW腐蚀液对SiO2的腐蚀速度极慢，使得腐蚀过程停止在SiO2层上，从而保证了硅片减薄后的厚度
即为弹性梁的厚度。制作的传感器芯片尺寸
3mm×5mm，封装在陶瓷管壳中。选n型硅片，晶向（100），直径为50mm，厚度为300μm，电
阻率为
5～12Ψ•cm。传感器芯片加工工艺流程，如图所示。
5
、加速度传感器性能测试与结果分析
1
）冲击试验。高gn值硅微型加速度计的灵敏度很低，在小加速度下几乎没有信号输出，只有进行冲击试验，才能检验其性能。为此，
常温下冲击试验在马希特击锤上进行
[1]。将标准传感器和被标定传感器同时固定在马希特击锤的锤头上，分别对单臂梁和双臂梁结构的加
速度传感器样品在不同的齿数下进行冲击试验。过载试验可达到
12000gn而不失效，加速度传感器冲击测试范围到2500gn。
2
）测试结果分析。通过对被测试加速度传感器输出电压与加速度之间关系的分析，其基本属于线性关系[1]，采用一元线性回归模型对
被测试传感器数据进行直线拟合，传感器输出电压与加速度的关系曲线对于悬臂梁结构的硅微型加速度传感器，在其它结构尺寸相同的情
况下，梁的厚度对加速度传感器的灵敏度影响最大，基本上是反比的关系。这是由于在同样的载荷下，梁厚与应力大小成反比，而应力大
小直接影响灵敏度，应力越大灵敏度越高。由于加工出芯片梁的厚度比设计值偏差较大，故其测试灵敏度比设计值小，如表所示。
在质量块尺寸一定的情况下，梁的长度与灵敏度成正比，梁的宽度与灵敏度成反比。在梁的尺寸一定情况下，质量块的质量与灵敏度
成正比。
对制作的加速度传感器样品，在马希特击锤上进行了大量地冲击标定测试，测试结果表明：设计和加工制作的加速度计样品在进行加
速度的冲击时，有较好的信号输出，单臂梁结构的加速度计的灵敏度为
1μV/gn；双臂梁结构的加速度计的灵敏度为1.6μV/gn，与理论设计
值基本吻合。
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