硅微加速度传感器
硅微谐振式加速度计温漂补偿研究
8传感器与微系统(Tmns U ucer and Micro s ystem Technomgie r[2021年第40卷第5期DOI：10.J3873/J.100-9787(2021)05-0008-04硅微谐振式加速度计温漂补偿研究张含1,2,丁徐错12,李宏生V(1.东南大学仪器科学与工程学院，江苏南京210096；2.东南大学微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室，江苏南京210096)摘要：硅微谐振式加速度计的输出信号是由谐振频率反映的,谐振频率的特性决定了仪表的精度。
但加速度计的谐振频率具有温敏特性，当温度变化时,便会产生测量误差。
为了减小这一影响，结合加速度计的外围控制系统，在分析加速度计谐振频率、控制电压随温度变化规律的基础上,设计加速度计零偏的补偿方法。
利用数据拟合，建立加速度计谐振偏移频率与控制电压的模型，基于模型完成加速度计零偏的温度补偿工作。
针对该方法的有效性，进行了全温实验验证,结果表明:应用该补偿方法，在-20~30t之间,相较于补偿前的加速度计零偏漂移减小了66.5%o关键词：频率温度特性;控制电压;品质因数;温度补偿中图分类号：TP21/文献标识码：A文章编号：100-9787(2021)05-048-04Study on temperature drift compensstion on siliconmicro resonani accelerrmeterZHANG Hnn1^2,DICG Xukal1,,LI Hopgsheng1^2(1.School of Instrameni Science and Engioeering,SoutUeesi University,Nanjing21096,China;2.Key Laboratory of Micro-inertiai1肌1011116就and Advanced Navioation Technology of MinisUy of Educotion,SoutUersi University,Nanjing210096,China)AbstrocU:Output sianai of silicoo micm-msopant accelerometes is mflectel by m r coant fmqpench,whichdetermines pmcisioo of instrumeet.But110X8/fmqpench of accelerometes has temperature-seesitivecharacteristic.When temperature changes,measumment will occus. To reluce this in/uence,peripheraicoxtroi system of the accelerometes is apalyzel.On the basis of apalyzing ox law that the msoxant fmquench andcoxtroi vaVape of the accelerometes vary with temperature:the compensatiox methoP of zero bias for accelerometesis desivnel.The moPei for sesoxant offset frequency and coxtroi voVape of accelerometes is estaPVshel by datafitting,and the temperature compensatiox of deviatiox of accelerometes is accompfshel basel ox the moPei.Fulltemperature experiments are carkel out to verify the raliditu of this methoP.The results show thas between thetemperature range of—20~301,the zero bias drift of accelerometes is relucel by66.5%comparel with thas ofthe accelerometes before compensatiox.Keywords：frequency temperature charactekshc；coxtroi vvltage;quaPtu factor;temperature compensatiox0引言硅微谐振式加速度计是基于微机械加工工艺的一种微机电系统(micro-electre-mechapincai system,ME M S)惯性器件，是近年来微传感器研究的热点之一。
MEMS传感器原理
C0 =
εS
d
受压时的电容变化与电极的位移有以下关系：
C0 + ∆C d = C0 d − ∆d 其中： C0——初始电容值 d——初始极板间距 ε——极板间介质的介电常数 S——极板面积
当∆ d《d 时
2 3 ∆C ∆d ∆d ∆d ∆ d = + + + 1 + d C0 d d d
电容式传感器将被测量转换成电容量变化，一般 敏感元件为可变电容器的形式。 可变电容器有变极距、变面积和变介电常数三种 基本方式。微型压力传感器一般采用变极距型。
电极 硅 玻璃
微硅薄膜在压力作用下产 生变形，使硅膜电极向固 定电极移动，两电极间的 电容产生变化。
电容式微型压力传感器基本结构
电容式传感器基本公式
[110]
Silicon Piezoresistive Coefficients
应力分布
FE model of pressure sensor
Stress in the X direction on surface of the membrane as a function of X
压敏电阻的分布形式
MEMS IC
微型加速度计的应用
汽车：防撞气囊、悬挂系统 国防：导弹制导、引信、飞机/卫星的姿控导航 工业：机器人测控、机床减震、电梯控制 防灾：地震监测、桥/坝测震 家电：摄像机、洗衣机、玩具、游戏机 IT：手机、虚拟现实、三维鼠标、硬盘防震 其它：水平仪
振动陀螺
2. 6 微型陀螺 Micro Gyro
Vo R1 R3 − R2 R4 α1 + α 2 = ≈ Vs (R1 + R2 )(R3 + R4 ) 2(1 + α1 − α 2 )
基于介观压阻效应的硅微加速度计研究
随 着微机 械 系统 和微 加 工 工 艺 的发 展 ， 型传 微 感器 也 随之迅 速发 展 ． 微 型 加 速 度 传感 器作 为 一 硅 种 重要 的力学 量 传感 器 ， 最 早 受 到 研 究 的微 机 械 是 惯性 传感 器之 一 ． 索 研 究新 原理 、 探 新结 构 、 新功 能 的高性 能硅 微型 加速 度传感 器 已成 为世界 各 国 的研 究 热点 ． 经过 几 十年 的发 展 ， 已经 研 制 出多种 不 同原 理 和结 构 的加速 度 传感 器 ， 压 阻式 、 电式 、 如 压 电容
天 捅 温廷 敦 吴 瑞， 教
（ 中北 大 学 微 米 纳 米 技 术 研 究 中心 ， 原 ０ ０ ５ ） 太 ３ ０ １
摘 要 ： 为了突破传统机电 转换局限， 提高加速度计灵敏度， 提出以介观压阻效应为工作原理制作高灵敏度的硅微加速度计， 基于
这种原理设计并制备了 Ｇ Ａ 基加速度计 ， ａｓ 通过理论分析计算与试验测试 ， 得出该结构在 ０１ｇ 输入下的输出， ． ｎ 并对介观压阻灵敏度
２０ ０ ７年 ８月
Ｓ ｌ ｏ ｉ ｒ － ｃ ｌ ｒ ｍ ｅ ｅ ｓ Ｂａ ｅ ｎ Ｍ ｅ ｏ Ｐｉ ｚ ｒ ｓｓ ａ ｅ ｉｉ ｎ Ｍ ｃ ｏ Ａｃ ｅ ｅ ｏ ｃ ｔ ｒ ｓ ｄ ｏ ｓ － ｅ ｏ ｅ ｉｔ ｎｃ
ｗ Ｕ Ｒｕｉ。 ＥＮ ｎｇ－ Ｗ Ｔｉ ｄｕｎ
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第２ ０卷
第 ８期
传 感 技 术 学 报
Ｃ ＮＥ Ｅ Ｊ ＬＲ Ｌ Ｆ Ｓ ＮＳ Ｓ ＡＮ Ａ ＴＵＡ Ｒ ＨＩ Ｓ Ｏ ｒＮＡ Ｏ Ｅ ＯＲ Ｄ Ｃ ＴＯ Ｓ
ｖ １ ２ Ｎｏ ８ ｏ． ０ ． Ａｕ ． ０ ７ ｇ ２ ０
式、 隧道 式 等 ， 广泛 应用 于宇航 、 弹 以及汽 车 、 并 导 工 业 自动 化 等领域 ［ ］本文 将 简述一 种 新 原理— —介 １． ≈ 观压 阻效 应 ， 于 这种 原 理 设 计并 利用 控 制 孔 技 术 基
MEMS压阻式加速度传感器的研究进展
增 加 了 自检 功能 和 集 成 Ｃ Ｓ电路 ， 高 了稳 定 性 ＭＯ 提
和 可靠性 ， 量方 向也 从 单 轴 逐渐 向 多轴 集 成 测 量 测 发 展 。因此 ， 同应 用 的 ＭＥ Ｓ加 速度 传 感 器 层 出 不 Ｍ
不穷。
压 阻式加 速度 传感 器 具 有 体 积 小 、 集 成 、 耗 小 、 易 功
阻式加 速度 传 感器 的研 究热点及 进展 。
关 键词 ： ＭＳ压 阻式加速 度 传感 器 ； 究现状 ； ＭＥ 研 发展 趋 势
ｌ ＭＥ ＭＳ压 阻加 速 度 传 感 器 简 介
ＭＥ ＭＳ（ ｃ ｍｉ ｏ—ｅｅｔ ｎｃ ｃ ａ ｉ ｌｓｓ ｍ） ｒ ｌ ｒ ｉｓｍｅｈ ｎｃ ｙｔ ｃｏ ａ ｅ
种结 构 大 大 降 低 了 工 艺 难 度 ， 敏 度 为 １． ０ 灵 ４ ８ ｍ ／ ， 振 频 率 为 ９４Ｈ ， 别是 传 统 硅 微结 构 压 Ｖ ｇ谐 ９ ｚ分
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范树新 ， ： ＭＥ Ｓ压 阻式加速度传 感器的研 究进展 等 Ｍ
梁结 构 到现 在 的 ３梁结 构 ， 开发 者 围绕 着 怎 样保 持
在压 阻式 加 速 度 传感 器 的硅微 结 构 中 ， 惯性 质 量块 是 由悬 臂 梁支 撑 的 ， 臂 梁上 制 作 有 应 变 扩 散 悬 电阻 。当被测 物体 有 加 速 度作 用 时 ， 微 结 构 会 随 硅 之产 生惯性 力 ， 悬臂 梁 在 惯 性 力 的作 用 下 产 生 应 力 和弹 性形 变 ， 臂梁 上 的扩 散 电 阻 则会 产 生 压 阻 效 悬 应 ， 图 １ 可 变 的 ４个 扩 散 电阻 连 接 为 ｗ ｅｔｏｅ 如 ， ｈａ ｔ ｓｎ 电桥 ， 变 电阻通 过 电桥 输 出电压 的变 化 ， 应 即可将 加 速 度信号 的检 测转 变为 电信 号输 出。
侧面扩散电阻的微机械加速度传感器的设计
度传 感 器采 用压 阻式双 悬臂 梁 整体式 结构． 两个 结 构相 同分 布 方 向相反 的 悬臂 梁 采 用 Ｄ Ｉ 工艺 ＲＥ
加工， 在每 个梁 的侧 面通 过硼扩散 形成 两个压敏 电 阻， 四个 压敏 电阻构 成 惠斯 痛全桥 连 接 ， 悬臂 在
梁的根 部采 用 Ｄ Ｅ 工 ， 成 电 阻与其 形
Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｃ ｎ ｌ ｇ ，Ｈ ａ ｇ ｈ ｕ ３１ ０ ２，Ｃｈ ｎ ） ｎ ｚ ｏ ０ ３ ｉａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｔｈ ｓ ｐ ｅ ｅ ｅ ｓ ａ ｏ ｌ ｉｉｏｎ ｉ ａｐ ｒ ｐｒ ｓ ｎｔ ｎ ｖｅ ｓｌｃ ｍｉｒ ｃ ｏｍａｃ ｉ ｄ ａ ｃ ｌｒ ｍ ｅ ｅ ｔ ｓｄ ｗａ ｌｄ ｆｕ ｈ ｎｅ ｃ ｅ ｅ ｏ ｔ ｒ ｗｉｈ ｉ ｅ ｌ— ｉｆ — ｓｏｎ ｐｉｅ ｒ ｓ ｓ ｏ ｓ Ｔｈ ｚ ｏ ｅ ｉ ｔｖ ｕ ｅ ｃ ｎｔｌｖ ｒ ｓ ｒ ｔ ｒ Ｓ ａ ｐ ｅ ｏｒ ｔ ｓ ａ ｃ ｌ ｒ ｍｅ ｉ — ｚ ｏ ｅ ｉｔ ｒ ． ｅ ｐｉｅ ｒ ｓｓ ｉ ｅ ｄｏ ｂｌ— ａ ｉｅ ｅ ｔ ｕｃ ｕ ｅ ｉ ｄｏ ｔ ｄ ｆ ｈｉ ｃ ｅ ｅ ｏ — ｔ ｒａ ｗｏ ｉ ｎ ｉａ ａ ｉｅ ｅ ｓｉ ｐ ｓｔ ｉｅ ｔｏ ｓ ａ ｅ ｆ ｂ ｉａ ｅ ｅ ｎｄ ｔ ｄｅ ｔｃ ｌｃ ｎｔｌ ｖ ｒ ｎ ｏ ｐｏ ｉｅ ｄ ｒ ｃ ｉ ｎ ｒ ａ ｒｃ ｔ ｄ ｂｙ ＤＲＩ ｔ ｃ ｏ ｏ ．Ｏｎ ｔ Ｅ ｅ ｈｎ ｌ ｇｙ ｈｅ ｓ ｄ ｗａ ｌ ａ ｈ ｃ ｎｔｌ ｖ ｒ ＷＯ ｐ ｅ ｏ ｅ ｉｔｖ ｒ ａ ｒ ｏ ｍｅ ｒ ｎ ｄ ｆｕｓｏ ．Ｆｏ ｉｚ ｒ — ｉ ｅ ｌｓ ｏｆｅ ｃ ａ ｉｅ ｅ ，ｔ ｉｚ ｒ ｓｓ ｉ ｅａ ｅ ｓａ ｅ ｆ ｒ ｄ ｂｙ ｂｏ ｏ ｉｆ ｉ ｎ ｕｒｐ ｅ ｏ ｅ ｓｓ ｏｒ ｒ ｏ ｅ ｔ ｄ ｔ ｈｅ ｔ ｔ ｎｅ ｂ ｉ ｇｅｆ ｒｓｇｎ ｌｔ ｓ ｉ ｇ．Ｏｎ ｔ ｏｏ ｆｅ ｃ ａ ｉｅ ｅ ｉ ｔ ｓ ａ ｅ ｃ ｎｎ ｃ ｅ ｏ Ｗ ａ ｓ ｏ ｒｄ ｏ ｉ ａ ｅ ｔｎ ｈｅｒ ｔｏ ａ ｈ ｃ ｎｔｌ ｖ ｒ，ｔ ｗｏ
传感检测系统-常见传感器原理及应用
R
a bc
转轴
Usc
U0
线绕式电位器
电位器式传感器的应用
航空飞行高度传感器
无线电高度 气压高度 真空膜盒高度表
5 4
H3
2 1
齿轮
齿弧
电刷轴
精密 电位器
杠杆机构
X
真空膜盒
壳体
真空膜盒高度表
UO
电位器式传感器的应用
电位器式压力传感器
弹性敏感元件膜盒的内腔,通 入被测流体,在流体压力作用 下,膜盒硬中心产生弹性位移, 推动连杆上移,使曲柄轴带动 电位器的电刷在电位器绕组上 滑动,输出一个与被测压力成 比例的电压信号。
只对导 磁物体 起作用
对接地 的金属 起作用
只对导电 良好的金 属起作用
对磁性 物体起 作用
接近开关的特点
接近开关与被测物不接触、不会产生机械 磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、无 触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆 性能较好、输出信号负载能力强、体积小、 安装、调整方便。
缺点是触点容量较小、输出短路时易烧 毁。
3.3.2 电容式传感器
Capacitive transducer
将被测量变化转换成电容量变化的传感器。它 的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用 的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质 的电容器。
可以应用于位移、振动、角度、加速度等参数 的测量中。
电容式传感器工作原理及结构形式
电容传感器的理想公式为
3.3.1.2 应变式传感器
电阻应变传感器是一种利用电阻应变片将应变转 换为电阻变化的传感器。
被测量 电阻应变片 电阻变化
任何非电量能转化为应变量
应变片
F
当受到外力时，导体变长变细，电阻增加，R->R+△R
MEMS传感器的发展
MEMS传感器的发展MEMS传感器的现状及应⽤0 引⾔MEMS（微电⼦机械系统）传感器是利⽤集成电路技术⼯艺和微机械加⼯⽅法将基于各种物理效应的机电敏感元器件和处理电路集成在⼀个芯⽚上的传感器。
20世纪60年代霍尼韦尔研究中⼼和贝尔实验室研制出⾸个硅隔膜压⼒传感器和应变计开创了MEMS技术的先河。
此后，MEMS技术的快速发展使得MEMS 传感器受到各发达国家的⼴泛关注，与此同时，美国、俄国、⽇本等世界⼤国将MEMS传感器技术作为战略性的研究领域之⼀，纷纷制定相关的计划并投⼊巨资进⾏专项研究。
MEMS传感器具有体积⼩、质量轻、功耗低、灵敏度⾼、可靠性⾼、易于集成以及耐恶劣⼯作环境等优势，从⽽促进了传感器向微型化、智能化、多功能化和⽹络化的⽅向发展。
步⼊21世纪以后，MEMS传感器正逐步占据传感器市场，并逐步取代传统机械传感器的主导地位，在消费电⼦产品、汽车⼯业、航空航天、机械、化⼯及医药等各领域备受青睐。
1 MEMS传感器的分类及原理MEMS传感器种类繁多，按照测量性质可以分为物理MEMS传感器、化学MEMS传感器、⽣物MEMS传感器。
按照被测的量⼜可分为加速度、⾓速度、压⼒、位移、流量、电量、磁场、红外、温度、⽓体成分、湿度、pH值、离⼦浓度、⽣物浓度及触觉等类型的传感器。
⽬前，MEMS压⼒传感器、MEMS加速度计、MEMS陀螺仪等已在太空卫星、运载⽕箭,航空航天设备、飞机、各种车辆、⽣物医学及消费电⼦产品等领域中得到了⼴泛的应⽤。
MEMS传感器主要由微型机光电敏感器和微型信号处理器组成。
前者功能与传统传感器相同，主要区别在于⽤MEMS⼯艺实现传统传感器的机光电元器件的同时对敏感元件输出的数据进⾏各种处理，以补偿和校正敏感元件特性不理想和影响量引⼊的失真，进⽽恢复真实的被测量。
图 1.1 MEMS传感器原理图MEMS传感器主要⽤于控制系统。
利⽤MEMS技术⼯艺将MEMS传感器、MEMS执⾏器和MEMS控制处理器都集中在⼀个芯⽚上，则所构成的系统称为MEMS芯⽚控制系统。
MEMS微传感器的工作原理(1)
改变2倍。利用这个原
d
It
(3)隧道电流敏感原理 隧道电流式微传感器是一种高灵敏度的微传感器，具有噪声小、温度系数小以及动态性能好等 特点。
隧道电流随距离d的变化曲线
(4)压电敏感原理 压电效应:某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其两个表面上会产生极性相 反的电荷；若将外力去掉时，又重新回到不带电的状态。 逆压电效应：在压电材料两端施加一定的电压，材料会表现出一定的形变（伸长或缩短）。
d
d
It
(Байду номын сангаас)隧道电流敏感原理
It V b e xpd
I: 隧道电流，单位为A；
:t 直流驱动电压，单位为V；
1.0 2n 5m eV V: 常数，等于
；
:b 有效隧道势垒高度，单位为eV；
: 隧道电极间距，单位为nm。
1 12
在标准情况下(0.5eV,1nm)，隧道电极间距d 变化0.1nm时，隧道电流
微传感器的分类 按传感机理分
压阻 压电 隧道 电容 谐振 热对流
微传感器的敏感原理 (1)压阻敏感原理 当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电阻发生显著变化的效应称为压阻效应。
在外力的作用下，结构中的薄膜 或梁上产生应力分布，应力的存 在使得压敏电阻的阻值发生变化。
E
压阻变化的具体过程
东南大学压阻式微加速度计样品 SEM（扫描电镜）照片
美国IC Sensor公司生产的压阻式加速度计
电容式
悬浮支架 加速度
固定支架 导电电极
质量块
衬底
a)垂直敏感电容微加速度计结构
固定支点
加速度 质量块
感应叉指
悬浮支架