一种微加速度计设计与制造
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。
微加速度计的研究现状及发展趋势
微加速度计的研究现状及发展趋势（中国科学技术大学电子科学技术系）摘要：微加速度计相对于普通加速度计有许多优点，在众多领域得到了广泛的应 用。
按检测方式的不同，可将其分为电容式，压阻式，压电式，谐振式以及光学 式等。
本文详细论述了这些微加速度计的原理及最新进展，此外也列举了一些新 式的微加速度计，最后对微加速度计的市场应用和发展趋势作了探讨。
关键字：微加速度计最新进展市场应用发展趋势Abstract: Comparing with general accelerometers, microaccelerometer has many advantages and has been widely used in lots of fields. Microaccelerometer can be divided into several types according to different detection methods, including capacitive type, piezoresistive type, piezoelectric type, resonant type, optical types, etc. This letter investigates principle and the latest development of above-mentioned microaccelerometers and lists some novel types. Finally, the discussion about market applications and development trend for microaccelerometer are shown.Keywords:microaccelerometer; latest development; market applications; development trend引言MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)，微机电系统，是由集成电路技术发展而来，起始于上世纪80 年代，历经三十多年的发展已成为时下的高新技术产业，是一项关系到国家科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术。
一种梳齿力平衡式微加速度计
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ Ｔ ｃ ｎｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｎ ｔｕ ｎ ｅ ｈ ｉ ｕ ｎ ｅ ｓ ｒ
２０１ ２ Ｎｏ ６ ．
第 ６期
一
种梳 齿 力 平衡式 微 加速 度 计
刘 恒 ， 晓平 杜连 明 ， 何 ， 刘清悔
２ Ｉ ｓｉ ｔ ｌ ｃｒ ｎ ｃ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ Ｃｈ ｎ ａ ｅ ｇｎ ｅ ｎ ｈ ｓｃ ， ｉ ｎ ａ ｇ ６ １ ０ Ｃｈ ｎ ． ｎ ｔ ｕ ｅ ｏ Ｅ ｅ ｔｏ ｇｎ ｅ ｉ ｇ， ｉ ａ Ａｃ ｄ ｍｙ ｏ Ｅｎ ｉ ｅ ｒ ｇ Ｐ ｙ ｉｓ Ｍ ａ ｙ ｎ ２ ９ ０， ｉ ａ； ｔ ｆ ｉ ｆ ｉ
（） １
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Ｅ Ｃ Ｉ＝Ｃ ２＝Ｃ ＝— ｏ 日 Ｅ Ａ
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ｏ， ０
下极板 相对 中间极板 的电压分别为 耐一 和 从 而检 测质 量块 受到的静电合 力 Ｆ为
Ｆ： 一 ４
＋ ， 图 ２ 见 ，
式 中： 为 真空介电常数 ； 介质 的相对介 电常数 ； 总 的 为 Ａ为
基金项 目： 国家 自然科学基金（ １７０ ６） 国家公益性行业 （ ４０５２ ； 气象 ） 研 科 专项 （ Ｙ ２０ ０ ０ ７ Ｇ ＨＹ ０ ９ ６ ３ ） 收稿 日期 ：０ １— ８— ６ 修 改 稿 日期 ：０ １ ２—１ ２１ ０ ０ ２ １ —１ ９
动检测 电容 和一组差 动反馈 加力 电容 ，， ｓ 构 成一 对检 Ｊｓ 和
和ｓ ：的相等且距离为 ． 检测端存在 的差 分电容 Ｃ 和 Ｃ 大小
第 ６期
Ｆ ２ Ｆ
刘恒等 ： 一种梳齿力平衡式微加速度计
１ ７
从三大应用角度深度剖析MEMS加速度计的关键指标
从三大应用角度深度剖析MEMS加速度计的关键指标MEMS加速度计是一种使用微机电系统(MEMS)技术制造的加速度测量装置。
它广泛应用于汽车、消费电子、航空航天等领域。
从三大应用角度来看，MEMS加速度计的关键指标主要包括精度、线性度和频率响应。
首先，精度是MEMS加速度计的重要指标之一、精度可以衡量传感器在测量中产生的误差大小。
对于加速度计来说，精度通常以百分比(%)或千分比(‰)来表示。
精度取决于传感器的制造工艺和设计，主要包括零点偏移、零点漂移和缩放因子误差。
零点偏移指的是传感器在无任何加速度时输出的电压或电流不为零。
零点漂移是指在长时间使用后，传感器在静态条件下输出的漂移现象。
缩放因子误差是指传感器的增益因子不准确，造成输出的加速度值与实际值存在偏差。
在实际应用中，需要根据具体的需求选择适当的精度等级。
其次，线性度是MEMS加速度计的另一个关键指标。
线性度指的是传感器在一定范围内，输出信号与输入加速度之间的比例关系是否符合线性关系。
线性度通常以百分比(%)来表示，表示输出信号与输入加速度之间的最大偏差。
线性度的好坏取决于传感器的设计和制造质量。
较高的线性度意味着传感器能够更准确地测量加速度。
最后，频率响应是MEMS加速度计的另一个重要指标。
频率响应指的是传感器在不同频率下对加速度信号的响应能力。
频率响应通常以赫兹(Hz) 或角频率 (rad/s) 来表示。
传感器的频率响应取决于其固有机械和电子特性。
高频率响应意味着传感器能够检测到高频振动或快速改变的加速度。
在不同应用领域中，需要根据实际需求选择适当的频率响应范围。
综上所述，MEMS加速度计的关键指标包括精度、线性度和频率响应。
精度衡量传感器测量误差的大小，线性度表征传感器输出信号与输入加速度之间的比例关系，频率响应描述传感器对不同频率下加速度信号的响应能力。
这些关键指标对于MEMS加速度计的性能和应用具有重要意义。
在选择和使用MEMS加速度计时，需要根据具体的应用需求和控制要求来综合考虑这些指标。
MEMS加速度计传感器专用ASIC简介及设计
MEMS加速度计传感器专用ASIC简介及设计王浩（无锡华润上华科技有限公司设计服务中心，上海，200072）摘要：MEMS做为本世纪前沿技术，有着非常广阔的前景，越来越受到业界专注。
本文介绍了华润上华设计中心研发的3轴加速度计的原理及ASIC电路设计，该电路由前置放大器、增益失调调节电路、模数转换器、温度感应器及数字信号处理电路等组成。
本电路结构简单,精度高,功耗低，能很好地满足系统中惯性及加速度的测量。
关键词：微电机系统；加速度计；模数转换器；前置放大器；温度传感器；增益失调校准MEMS Accelerometer ASIC Introduction and DesignWANG Hao（Design service center,CSMC technologies Corporation,Shanghai200072,China）Abstract:As advanced technology of this century,MEMS has a very broad prospect and is increasingly focused by the industry.This paper introduces the principle and ASIC circuit design of the3-axis accelerometer developed by CSMC Design Center.The circuit consists of preamplifier,gain offset adjustment circuit,analog-to-digital converter, temperature sensor and digital signal processing circuit.The circuit has the advantages of simple structure,high pre-cision and low power consumption,and can well satisfy the measurement of inertia and acceleration in the system. Key words:MEMS;Accelerometer;ADC;PA;TS;GOC1概述传感器是工业4.0时代的重要角色，随着物联网在工业领域的应用推广，越来越多的设备需要采用传感器采集数据，进一步去挖掘数据的价值，通过数据分析提升设备效率，预测一些可能发生的事情，减少停机损失，让工厂更贴近市场需求。
膜片上薄膜体声波谐振器型微加速度计
膜片上薄膜体声波谐振器型微加速度计高杨;何婉婧;李君儒;黄振华;蔡洵【摘要】针对“FBAR(薄膜体声波谐振器)-梁”结构悬臂梁厚度不足、“嵌入式FBAR”结构微加工工艺复杂的缺点,提出了新型“膜片上FBAR (FBAR-on-diaphragm)”结构的微加速度计.其弹性膜片由氧化硅/氮化硅复合薄膜构成,既便于实现与硅微检测质量和FBAR的IC兼容集成加工,也利于改善微加速度计的灵敏度和温度稳定性.对由氧化硅/氮化硅双层复合膜片-硅检测质量惯性力敏结构和氮化铝FBAR检测元件集成的膜片上FBAR型微加速度计进行了初步的性能分析,验证了该结构的可行性.通过有限元模态分析和静力学仿真得出惯性加速度作用下膜片上FBAR结构的固有频率和弹性膜片上的应力分布;选取计算所得的最大应力作为FBAR中压电薄膜的应力载荷,结合依据第一性原理计算得到的纤锌矿氮化铝的弹性系数-应力关系,粗略估计了惯性加速度作用下氮化铝薄膜弹性系数的最大变化量;采用射频仿真软件,通过改变惯性加速度作用下弹性常数所对应的纵波声速,对比空载和不同惯性加速度作用下加速度计的谐振频率,得到加速度计的频率偏移特性和灵敏度.进一步分析仿真结果还发现:氧化硅/氮化硅膜片的一阶固有频率与高阶频率相隔较远,交叉耦合小;惯性加速度作用下,谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数kHz/g,其加速度-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性.【期刊名称】《中国惯性技术学报》【年(卷),期】2015(023)002【总页数】8页(P262-269)【关键词】微电子机械系统;薄膜体声波谐振器;微加速度计;灵敏度【作者】高杨;何婉婧;李君儒;黄振华;蔡洵【作者单位】中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621010;中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621010;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621999;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621999;重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室,重庆400044;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621999;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621999【正文语种】中文【中图分类】TB934FBAR（薄膜体声波谐振器，film bulk acoustic-wave resonator）微加速度计是一种基于FBAR应力-谐振频率偏移特性的新型谐振式微加速度计，具有高灵敏度（Δf / gn在100 kHz/g量级[1]）、高稳定性（FBAR的温度稳定性[2]可达±10-5）、IC工艺兼容等优点，有望满足惯性导航与制导、重力测量、油气探测、振动监测等关键应用的需求。
mems电容式加速度计原理
MEMS电容式加速度计原理一、工作原理MEMS电容式加速度计是一种基于微机械加工技术制成的传感器，用于测量加速度。
其核心部分是可移动的感应质量块和固定电极，它们之间存在微小的间距。
在工作状态下，当被测物体发生加速度时，感应质量块会受到力的作用，从而产生位移。
这个位移量会改变感应质量块与固定电极之间的距离，从而引起电容值的改变。
通过测量电容值的变化，可以推导出物体的加速度。
二、结构设计MEMS电容式加速度计的典型结构包括一个可移动的感应质量块和两个对称的固定电极。
感应质量块通常采用单晶硅材料制成，形状为长方形或圆形，其两端固定在弹性梁上。
弹性梁的材料一般为氮化硅或石英，它们具有良好的弹性性能和稳定的热性能。
固定电极一般采用金属材料制成，与硅衬底形成电容器。
当加速度作用在感应质量块上时，感应质量块会沿着敏感轴方向产生位移，从而改变电容器的电容值。
三、电容变化当感应质量块发生位移时，它与固定电极之间的距离会发生变化，导致电容值的改变。
这个电容变化量可以通过外部电路检测并转换为电压信号输出。
在MEMS电容式加速度计中，通常采用差分电容检测方式来提高检测灵敏度和减小外界干扰的影响。
差分电容检测方式是将两个对称的电容器串联在一起，通过测量两个电容器的电容差值来推导出加速度值。
四、测量范围MEMS电容式加速度计的测量范围取决于其结构设计、制造工艺和材料选择等因素。
一般来说，MEMS电容式加速度计的测量范围在±2g 至±10g之间。
在实际应用中，可以根据需要选择适合测量范围的加速度计。
此外，为了减小测量误差和提高测量的稳定性，可以对加速度计进行温度补偿和线性补偿等处理。
五、方向测量MEMS电容式加速度计一般只能测量单一方向的加速度值，而要实现方向测量则需要使用多个加速度计。
一般来说，将多个MEMS电容式加速度计按不同的方向布置在同一个被测物体上，每个加速度计负责测量一个方向的加速度值。
通过对这些加速度值进行处理和分析，可以获得物体在三维空间中的运动状态和方向信息。
mems的制造工艺
mems的制造工艺【MEMS 的制造工艺】一、MEMS 的历史其实啊，MEMS 这玩意儿可不是突然冒出来的。
早在上世纪 50 年代，就已经有了关于微制造技术的初步探索。
那时候，人们就开始琢磨怎么在小小的芯片上做出复杂的结构。
到了 70 年代，一些研究机构和公司开始认真研究 MEMS 技术，不过当时的工艺还比较粗糙，能做出来的东西也很有限。
真正让 MEMS 大放异彩的是 80 年代以后。
随着半导体制造技术的飞速发展，MEMS 的制造工艺也越来越精细，能实现的功能也越来越强大。
比如说，汽车里的气囊加速度传感器，就是 MEMS 技术的一个重要应用。
说白了就是，MEMS 从一个小小的概念，逐渐成长为改变我们生活的重要技术，这一路走来，充满了挑战和突破。
二、MEMS 的制作过程1. 设计阶段这就好比盖房子之前要先画图纸。
工程师们要根据需要实现的功能，设计出MEMS 器件的结构和布局。
比如说，如果要做一个压力传感器，就得考虑怎么让压力能准确地转化为电信号，这就需要精心设计传感器的敏感结构。
2. 材料准备接下来就是准备材料啦。
MEMS 常用的材料有硅、玻璃、聚合物等等。
就拿硅来说吧，得把它加工成薄薄的晶圆，就像做面饼一样，要擀得又薄又均匀。
3. 光刻这一步就像是在晶圆上“画画”。
通过光刻胶和光刻机，把设计好的图案“印”在晶圆上。
比如说要做一个小小的齿轮，就得先把齿轮的形状光刻出来。
4. 刻蚀有了图案还不行，得把不需要的部分去掉。
刻蚀就好比是用小凿子把多余的部分一点点凿掉，留下我们想要的结构。
5. 沉积有时候还需要在晶圆上沉积一些材料，比如说一层绝缘层或者导电层，就好像给蛋糕上抹一层奶油。
6. 封装最后，把做好的 MEMS 器件封装起来，保护它不受外界的干扰和损伤。
这就像给宝贝穿上一件防护服。
三、MEMS 的特点1. 微型化MEMS 器件都非常小，小到你得用显微镜才能看清楚。
这就使得它们可以集成在各种设备中，不占地方。
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26.3V / g
为实现静电自检测结构，在衬底硅上进行离子注入来掺入杂质磷，降低衬底的电阻率，使得衬底
与电镀的铜质量块形成一对电极。如图所示，当在电极两端加直流电压时，由于电容电力的作用，使 得质量块向衬底方向移动，导致压阻电桥输出电压产生变化。 电容静电力的公式为
Fc
0
A 2d
0 2
V
2
为8.405。
考虑到多晶硅横向压阻系数远小于纵向压阻系数。同时梁的宽度远小于长度，忽略梁
形变中的横向效应，设压阻条长度为 a
敏度表达式为
3 L M S 2 b h 2
r
，综合以上两个因子的影响，加速度传感器的灵
a1 a r
经计算得到 为
S 5.25V / V / g 。在５V供电情况下，加速度计的理论设计灵敏度
工艺流程图
(1)首先在450um的双抛硅片上进行磷离子注入，形成衬底电极。接着氧化一层0.1um厚
德二氧化硅，然后利用LPCVD工艺在二氧化硅层上沉积一层0.3um厚的低应力氮化硅作为隔
离层。接下来淀积２um的LTO(low temperatere oxide)作为牺牲层。在LTO层上利用RIE进行刻 蚀，形成腐蚀孔。同时由于质量块区域面积较大，为防止后面形成的氮化硅薄膜出现坍塌，
(5) 选择合理的工艺手段，降低制作成本，为微加速度计批量化生产提供工艺路线;同时，标准化微机电系统
工艺，为微加速度计投片生产提供一套利于操作、重复性好的工艺方法，也是微硅加速度计发展的重要方向。
微加速度计的特点
微加速度计具有尺寸小、重量轻、成本低、易集成、功耗小等特点
微加速度计的性能指标
１.量程 ２.灵敏度：降低刚度，增加质量 ３.动态范围：提高加速度计的固有频率，但这与提高灵敏度有矛盾 ４.反应时间：提高固有频率
Tx x a1 x bh 2 2
加速度传感器结构原理图
质量块处的位移为
wM
Ma 3 a 1 2 E S iN b h 3
式中 E SiN 为氮化硅杨氏模量 计算的应力分布曲线如图所示。从图中可以看出 梁上表面应力呈对称分布。梁根部和梁靠近质量块的 部分应力最大，且符号相反。将压阻设计在应力最大 的部位，可以获得最大的压阻输出。
膜形成传感器立体结构。再沉积一层0.4um的多晶硅层，对其进行离子注入掺入杂质硼。然 后刻出电阻条，形成的方块电阻大约90欧姆。
(2)利用RIE工艺，在结构上刻开刻蚀孔，然后用百分子四十的氢氟酸溶液腐蚀掉结构下
面的牺牲层。接着淀积1.4um厚德TEOS(tetrethylorthosilicate)堵住腐蚀孔，防止释放后的薄 膜结构在后续工艺中被破坏。在沉积一层0.1um的低应力氮化硅作为钝化层。接着刻蚀引线 孔，
按敏感轴数量：１.单轴微加速度计
２.双轴微加速度计
３.三轴微加速度计
按加工方式：１.微机械表面加工加速度计
２.微机械体加工加速度计
MEMS压阻式加速度计设计原理
压阻式微加速度计是由悬臂梁和质量块以及 布置在梁上的压阻组成，横梁和质量块常为硅材 料。当悬臂梁发生变形时，其固定端一侧变形量 最大，故压阻薄膜材料就被布置在悬臂梁固定端 一侧（如图所示）。当有加速度输入时，悬臂梁 在质量块受到的惯性力牵引下发生变形，导致固 连的压阻膜也随之发生变形，其电阻值就会由于
电容式、压电式、力平衡式、微机械热对
流式和微机械谐振式等。
• • • • • • • • • • • •
机械特性检测 土木结构状态监测 汽车 机器人 自动化 地震记录 汽车 结构主动控制 卫星导航 武器制导 玩具 ……
微加速度计典型汽车用产品
1991年AD（Analog Devices）公司生产出的第一个商用多晶硅表面微机械电容式加速度计AXDL-50 1995年美国的AD公司生产制造了5g的低加速度值汽车用加速度计
v Si 为多晶硅泊松比； SiN 为氮化硅杨氏模量； SiN 为氮化硅泊松 式中：ESi 为多晶硅杨氏模量； 比。 另外，作为加速度计主体结构材料的氮化硅薄膜采用LPCVD的方法淀积而成。对于固支梁结构， 薄膜的残余应力相当于给梁试驾了一个轴向力。轴向力增加了梁的等效刚度，增大的倍数可用因子 表示：
(3) 微加速度计存在明显的横向干扰，如何采用合理的结构实现结构在各方向解耦，并且通过合理布置 检测单元，实现对横向干扰的抑制，也是研究的重要内容;
(4) 除了基于半导体平面工艺的特殊结构电容式加速度计成本较低，利于批量生产外（例如AD 公
司的微加速度计系列），其他原理的加速度计的制作成本相对较高，不利于批量生产; 针对上述问题，国内外研究人员已经进行了充分的研究。采用相关双采样接口电路能提高微弱
目录
• MEMS加速度计简介 • MEMS压阻式加速度计设计原理
• MEMS压阻式加速度计主要制造工艺 • 总结与体会
MEMS加速度计简介
微加速度计就是使用MEMS技术制造的加速 度计。由于采用了微机电系统技术，使得其尺 寸大大缩小，一个MEMS加速度计只有指甲盖的 几分之一大小。微加速度计是惯性传统器件的 代表，其理论基础是牛顿第二定律。
根据有无反馈信号：１.微型开环加速度计
２.微型闭环加速度计
根据结构形式：１.梳齿式微机电加速度计
２.“跷跷板”摆式微加速度计
３.“三明治”摆式微加速度计 ４.静电悬浮式微加速度计
按敏感信号方式：１.微型电容式加速度计
２.微型压阻式加速度计 ３.微型压电式加速度计 ４.隧道电流式加速度计 ５.热对流式微加速度计
还要在适当的位置刻出略小于腐蚀孔的空洞，以便形成氮化硅立柱支撑薄膜结构。接着淀
积0.25um的PSG覆盖LTO牺牲层，由于可是孔位置的LTO已被上一步的RIE刻蚀掉，所以刻蚀 孔处只淀积了0.25um的PSG，这就为后面释放LTO牺牲层留出了腐蚀通道。同时还要利用RIE
工艺将预留的支撑立柱位置处的PSG刻蚀掉。接下来LPCVD沉积1.2um厚德低应力氮化硅薄
微加速度传感器的研究开始于70年初，
是继微压力传感器之后第二个进入市场的 微机械传感器。目前国外在微加速度传感
器方面做的比较好的主要有：美国加州大
学Berkley分校、德国Dresden大学、日本 Toyohashi大学，美国AD公司（ADXL50）
等 ] 1[。我国在这 方面的研究起步比较晚，
距离产业化还有很多路要走。 目前微机 电加速度传感器的工作原理主要有压阻式、
1
1 E t E 1 2 v
如图所示，这种压阻式加速度计采用表面微机械加工工艺， 利用电镀铜技术在传感器的惯性质量块区域形成铜质量块。 其主体结构层为低应力氮化硅薄膜，在四个固支梁中间的质 量块区域电镀了铜，形成质量块。四个氮化硅梁上分别集成有一 个多晶硅压阻条，四个电阻构成惠斯通电桥。力学模型如图： 考虑梁本身的质量远小于质量块的质量，结构可 简化为弹簧—质量块模型。根据力学相关理论，以左 侧梁为例，梁上表面应力为 3M a 1
总结出微加速度计以下几点发展趋势: (1) 高分辨率和大量程的微硅加速度计成为研究的重点。由于惯性质量块比较小，所以用来测量
加速度和角速度的惯性力也相应比较小，系统的灵敏度相对较低，这样开发出高灵敏度的加速度计
显得尤为重要。无论是民用还是军事用途，精度高、量程大的微加速度计将会大大拓宽其运用范围。 (2) 温漂小、迟滞效应小成为新的性能目标，选择合适的材料，采用合理的结构，以及应用新的
九十年代初ADI的气囊微加速度计
国内的相关研究还存在很多问题，有很多共性难题没有解决，如： (1) 微结构的振动质量比较小，产生的输出信 号非常微弱，基本上与机械噪声以及电噪声同数 量级，因此弱电量检测以及噪声抑制成为提高加 速度计性能的难题;
(2) 微结构的迟滞和温漂是影响微加速度计
精度的重要因素，如何改善结构减小迟滞效应， 采取措施降低温漂的影响，是微加速度计实用 化的重要课题;
信号的检测能力，降低电路噪声干扰。利用静电力平衡实现微加速度计的闭环控制，提高器件的动
态性能，避免支撑梁发生大形变，降低传感器的迟滞和非线性影响，提高器件的可靠性。也有学者 采用在线温度补偿技术，实现微加速度计温漂补偿。同时微机电系统技术的进步和工艺水平的提高，
也给微加速度计的发展带来了新的机遇。通过了解国内外微加速度计的研究动态，分析其研究特点，
E
v
T0 a12 1 0.2949 ESiN h 2
式中 T 0 为轴向应力，这里取值为90MP。
等效刚度的增大，使得在同样外加加速度情况下，质量块产生的位移减小为无轴向力时 的 1 ，对应的梁根部弯曲应变也相应减小，最终导致压阻灵敏度减小为无残余应力情况时
的 1
带入相应数据得到
式中：A为铜质量块面积； 质量块到衬底的距离。
为真空介电常数；d为
自检测功能可用于快速检测器件好坏；在器件芯片大规模 生产中，能够实现在线测试来显著降低制造中的测试成本， 自检测功能原理图
提高测试效率。在实际器件应用中，也为快速故障检测提
供了一个快捷简便的测试手段。
MEMS压阻式加速度计主要制造工艺
压阻效应而发生变化，导致压阻两端的检测电压
值发生变化，从而可以通过确定的数学模型推导 出输入加速度与输出电压值的关系。
压阻式微加速度计原理图
半导体压阻效应
电阻
为电阻率
取
得
金属应变片（电阻率不随应变变化而变化） 应变灵敏度系数1－2（即（1＋2）v）
R 1 2v R
对晶体材料，电阻率与应变有关，定义压阻系数： 表示单位应力电阻率的相位变化，则应变灵敏度系数为 常用压阻材料：p+或n+多晶硅 金属
固支梁结构物理模型
加速度计灵敏度
压阻式加速度计利用压阻效应输出电压信号。根据压 阻效应的原理，施加在压阻条上的应力大小决定了压阻输 出信号的大小 直接计算多晶硅压阻条上的应力比较困难，而氮化硅 梁上表面的应力分布已由上式给出，则可利用氮化硅梁上 表面的应力来间接计算多晶硅的应力。多晶硅压阻条淀积 与氮化硅薄膜上表面，二者具有相同的应变量，但由于多 晶硅和氮化硅材料的杨氏模量不同，同样的应变产生的应 固支梁上表面的应力分布示意图 力不同。考虑到杨氏模量的差异，多晶硅压阻条上的应力 可表示为 TSi TSiN 式中因子 为： E S i 1 v 2 S i E S i N 1 v 2 S iN