MEMS加速度傳感器

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1、MEMS加速度傳感器 學院：理學院 專業(yè)：物理電子學 某某： 學號： 目錄 MEMS加速度傳感器1 簡介3 1、什么是加速度傳感器？ 3 2、 什么是MEMS加速度傳感器？ 3 MEMS加速度計的應用領域 4 MEMS加速度傳感器的工作原理 4 MEMS加速度傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展方向 5 1、 前景預測5 2、 最新發(fā)展6 簡介 1、什么是加速度傳感器? 加速度傳感器是一種慣性傳感器，能夠測量物體的加速力。加速力就是當物 體在加速過程中作用在物體上的力， 就比如地球引力，也就是重力。加速力可以 是個常量，比如g,也可以是變量。 2、什么是MEMS加速度傳感器

2、？ 微機電系統(tǒng)(Microelectro Mechanical Systems,MEMS是在微電子技術基礎 上發(fā)展起來的多學科交叉的前沿研究領域。經過幾十年的發(fā)展， 已成為世界矚目的重大 科技領域之一。它涉及電子、機械、材料、物理學、化學、生物學、醫(yī)學等多種學科與 技術，具有廣闊的應用前景。目前，全世界有大約 600余家單位從事MEMS勺研制和生 產工作，已研制出包括微型壓力傳感器、加速度傳感器、微噴墨打印頭、數(shù)字微鏡顯示 器在內的幾百種產品，其中微傳感器占相當大的比例。微傳感器是采用微電子和微機械 加工技術制造出來的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本 低、功耗

3、低、可靠性高、適于批量化生產、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點。同時，在微 米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。 本文概述國 內外目前已實現(xiàn)的微機械傳感器特別是微機械諧振式傳感器的類型、工作原理、性能和 發(fā)展方向。MEMS(Micro Electro Mechanical Systems加速度傳感器就是使用 ME MS技術制造的加速度傳感器。由于采用了微機電系統(tǒng)技術，使得其尺寸大大縮 小，一個MEMS加速度計只有指甲蓋的幾分之一大小。 MEMS加速度計具有體 積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點。 MEMS加速度計的應用領域 通過測量由于重力引起的加速度，你可以計算出設備

4、相對于水平面的傾斜角 度。通過分析動態(tài)加速度，你可以分析出設備移動的方式。 現(xiàn)在工程師們已經想 出了很多方法獲得更多的有用的信息。 MEMS卩速度計可以幫助你的機器人了解它現(xiàn)在身處的環(huán)境。是在爬山？還 是在走下坡，摔倒了沒有？或者對于飛行類的機器人來說， 對于控制姿態(tài)也是至 關重要的。更要確保的是，你的機器人沒有帶著炸彈自己前往人群密集處。 一個 好的工程師能夠使用MEMS卩速度計來回答所有上述問題。 目前最新IBM Thinkpad手提電腦里就內置了 MEM加速度計，能夠動態(tài)的監(jiān) 測出筆記本在使用中的振動，并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會智能的選擇關閉硬盤 還是讓其繼續(xù)運行，這樣可以最大程度的

5、保護由于振動，比如顛簸的工作環(huán)境， 或者不小心摔了電腦所造成的硬盤損害，最大程度地保護里面的數(shù)據(jù)。目前在一 些先進的移動硬盤上也使用了這項技術。 另外一個用處就是在目前的數(shù)碼相機和攝像機里，用 MEMS卩速度計來檢測 拍攝時候的手部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調節(jié)相機的聚焦。 MEMS卩速度計還可以用來分析發(fā)動機的振動。汽車防撞氣囊的啟動也可以 由MEMS卩速度計控制。 由此可見MEMS卩速度計可以在我們的生活中發(fā)揮重要作用。歸納其應用主 要有以下幾個方面：振動檢測、姿態(tài)控制、安防報警、消費應用、動作識別、狀 態(tài)記錄等。 MEMS加速度傳感器的工作原理 下面會對幾種MEMS加速度傳感

6、器的工作原理做一個簡單的介紹。 技術成熟的MEMS加速度計分為三種：壓電式、容感式、熱感式。壓電式加 速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質如石 英晶體的壓電效應，在加速度計受振時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。 當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正 比。壓電式加速度傳感器是基于壓電晶體的壓電效應工作的。 某些晶體在一定方 向上受力變形時，其內部會產生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產生符號相反 的電荷；當外力去除后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為 壓電效應” 具有 壓電效應”的晶體稱為壓電晶體。常用的壓電晶體有石英、

7、壓電陶瓷等。 容感式MEMS加速度計內部也存在一個質量塊，從單個單元來看，它是標 準的平板電容器。加速度的變化帶動活動質量塊的移動從而改變平板電容兩極的 間距和正對面積，通過測量電容變化量來計算加速度。電容型加速度傳感器的結 構形式一般也采用彈簧質量系統(tǒng)。當質量受加速度作用運動而改變質量塊與固定 電極之間的間隙進而使電容值變化。電容式加速度計與其它類型的加速度傳感器 相比具有靈敏度高、零頻響應、環(huán)境適應性好等特點，尤其是受溫度的影響比較 ??；但不足之處表現(xiàn)在信號的輸入與輸出為非線性， 量程有限，受電纜的電容影 響，以及電容傳感器本身是高阻抗信號源， 因此電容傳感器的輸出信號往往需通 過后繼電

8、路給于改善。在實際應用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測量， 其通用性不如壓電式加速度傳感器， 且成本也比壓電式加速度傳感器高得多。 熱 感式MEMS加速度計內部沒有任何質量塊，它的中央有一個加熱體，周邊是溫 度傳感器，里面是密閉的氣腔，工作時在加熱體的作用下，氣體在內部形成一個 熱氣團，熱氣團的比重和周圍的冷氣是有差異的， 通過慣性熱氣團的移動形成的 熱場變化讓感應器感應到加速度值。 由于壓電式MEMS卩速度計內部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式MEMS 加速度計只能感應到“動態(tài)”加速度，而不能感應到“靜態(tài)”加速度，也就是我 們所說的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應“動態(tài)”加速度

9、，又能感應“靜 態(tài)”加速度。 MEMS加速度傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展方向 1、前景預測 咨詢公司INTECHNOCONSULTING 的傳感器市場報告顯示，2008年全球 傳感器市場容量為506億美元，預計2010年全球傳感器市場可達600億美元以上。 調查顯示，東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場增長最快的地區(qū)，而美國、德 國、日本依舊是傳感器市場分布最大的地區(qū)。就世界 X圍而言，傳感器市場上 增長最快的依舊是汽車市場，占第二位的是過程控制市場，看好通訊市場前景 一些傳感器市場比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已 表現(xiàn)出成熟市場的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市

10、場規(guī)模最大， 分別占到整個傳感器市場的21%、19%和14%。傳感器市場的主要增長來自于無 線傳感器、MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems ，微機電系統(tǒng)）傳感器、生 物傳感器等新興傳感器。其中，無線傳感器在 2007-2010年復合年增長率預計會 超過25%。 全球的傳感器市場在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。 有關專家 指出，傳感器領域的主要技術將在現(xiàn)有基礎上予以延伸和提高，各國將競相加速 新一代傳感器的開發(fā)和產業(yè)化，競爭也將日益激烈。新技術的發(fā)展將重新定義未 來的傳感器市場，比如無線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器 等新型傳感器

11、的出現(xiàn)與市場份額的擴大。 電容傳感器有望有一個強勁的增長，2004年后增長將會更快，估計從1997 年到2007年綜合年增長率為5.9%,其中最高可達33.2%，其市值2000年為0.75億 美元，到2007年將達到1.1億美元。來自歐洲和北美洲的汽車業(yè)和工業(yè)用戶是這 些產品的主要購買者。2000年的市場上北美占40.4%，歐洲占48.9%。汽車行業(yè) 使用電容式傳感器主要用于安全系統(tǒng)、輪胎磨損監(jiān)測、慣性剎車燈、前燈水準測 量、安全帶伸縮、自動門鎖和安全氣囊。對于設計人員來說，電容式傳感器是非 常有吸引力的，因為它無需接觸待測物，所以不必擠進狹窄的空間中。 2、最新發(fā)展 隨著智能手機等的普

12、及，要求設備具備更高的功能和可設計性，在這種情況 下，對組件的高度集成化和小型化的需求強勁。 另外，高性能化導致電池的消耗 增加，因此，對于搭載在設備上的各種元器件，要求具備更低的功耗。業(yè)界最小 尺寸的加速度傳感器最高分辨率達到14bit，具有低功耗、 耐沖擊性高及可編程 的待機喚醒功能，能夠進行傾斜檢測、運動檢測等；而另外一款高性能、低功耗、 低成本、低噪音的加速度傳感器具有高穩(wěn)定性，最高分辨率達 4bit的特點，可高 精度傾斜檢測、運動檢測等，目前此兩種設備主要應用于智能手機、平板 /筆記 本電腦、數(shù)碼相機、游戲機及其他小型民生設備。 智能手機和游戲機等具有更多感官性運動的設備操作需求

13、高漲， 另外，出現(xiàn) 了智能電視用的運動遙控等新需求。 在這些運動檢測中，使用了歷來使用的加速 度傳感器，還增加了陀螺儀，提高了操作感受。小型封裝陀螺儀采用 FIFO緩沖 區(qū)，可減少來自微控制器的訪問頻率， 具備旋轉運動檢測功能。而隨著加速度傳 感器、陀螺儀進一步普及，同時在小型設備中使用案例日益增加。 單芯片化以及 在1個系統(tǒng)的通信接口一起使用2個傳感器的需求不斷增加。小型封裝的3軸加速 度傳感器和3軸陀螺儀的復合傳感器的漸漸出現(xiàn)，不但具有以上小型封裝陀螺儀 的各種特點和功能，同時還擁有業(yè)界領先的低耗電量， 僅為4mA。他們多應用于 智能手機、平板電腦、游戲機、遙控器、 PND及其他小型民生設備。