MEMS加速度傳感器

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1、MEMS加速度傳感器學(xué)院：理學(xué)院專業(yè)：物理電子學(xué)某某：學(xué)號：目錄MEMS加速度傳感器1 簡介31、什么是加速度傳感器？ 32、 什么是MEMS加速度傳感器？ 3MEMS加速度計的應(yīng)用領(lǐng)域 4MEMS加速度傳感器的工作原理 4MEMS加速度傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展方向51、前景預(yù)測52、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(dāng)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？微機電系統(tǒng)(Microelectro Mechanical Systems,

2、MEMS是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已成為世界矚目的重大科技領(lǐng)域之一。它涉及電子、機械、材料、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多種學(xué)科與 技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)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(chǎn)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(nèi)的幾百種產(chǎn)品，其中微傳感器占相當(dāng)大的比例。微傳感器是采用微電子和微機械 加工技術(shù)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、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、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

3、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(nèi)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(shù)制造的加速度傳感器。由于采用了微機電系統(tǒng)技術(shù)，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(yīng)用領(lǐng)域通過測量由于重力引起的加速度，你可以計算出設(shè)備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(shè)備移動的方式。 現(xiàn)在工程師們已經(jīng)想 出了很多方法獲得更多的

4、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(guān)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(nèi)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(guān)閉硬盤 還是讓其繼續(xù)運行，這樣可以最大程度的保護(hù)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(hù)里面的數(shù)據(jù)。目前在一 些先進(jìn)的移動硬盤上

5、也使用了這項技術(shù)。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(diào)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(yīng)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(yīng)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加速度傳感器的工作原理做一個簡單的介紹。技術(shù)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

6、器。它是利用某些物質(zhì)如石 英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。 當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)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(yīng)工作的。 某些晶體在一定方向上受力變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反 的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)”具有 壓電效應(yīng)”的晶體稱為壓電晶體。常用的壓電晶體有石英、壓電陶瓷等。容感式MEMS加速度計內(nèi)部也存在一個質(zhì)量塊，從單個單元來看，它是標(biāo) 準(zhǔn)的平板電容器。加速度的變化帶動活動質(zhì)量塊的移動從而改變平板電容兩極的 間距和正

7、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(jié) 構(gòu)形式一般也采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當(dāng)質(zhì)量受加速度作用運動而改變質(zhì)量塊與固定 電極之間的間隙進(jìn)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(yīng)、環(huán)境適應(yīng)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 過后繼電路給于改善。在實際應(yīng)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(nèi)部

8、沒有任何質(zhì)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(nèi)部形成一個 熱氣團(tuán)，熱氣團(tuán)的比重和周圍的冷氣是有差異的， 通過慣性熱氣團(tuán)的移動形成的 熱場變化讓感應(yīng)器感應(yīng)到加速度值。由于壓電式MEMS卩速度計內(nèi)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(yīng)到“動態(tài)”加速度，而不能感應(yīng)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(yīng)“動態(tài)”加速度，又能感應(yīng)“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(yù)測咨詢公司INTECHNOCONSULTING 的傳感器市場報告顯示，2008年全球 傳感器市

9、場容量為506億美元，預(yù)計2010年全球傳感器市場可達(dá)600億美元以上。 調(diào)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)

10、）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(fù)合年增長率預(yù)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(guān)專家指出，傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)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(chǎn)業(yè)化，競爭也將日益激烈。新技術(shù)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(dá)33.2%，其市值2000年為0.75億 美元，到

11、2007年將達(dá)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(chǎn)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(zhǔn)測 量、安全帶伸縮、自動門鎖和安全氣囊。對于設(shè)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(jìn)狹窄的空間中。2、最新發(fā)展隨著智能手機等的普及，要求設(shè)備具備更高的功能和可設(shè)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(dǎo)致電池的消耗 增加，因此，對于搭載在設(shè)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

12、感器最高分辨率達(dá)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(jìn)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(dá) 4bit的特點，可高 精度傾斜檢測、運動檢測等，目前此兩種設(shè)備主要應(yīng)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(shè)備。智能手機和游戲機等具有更多感官性運動的設(shè)備操作需求高漲，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(zhuǎn)運動檢測功能。而隨著加速度傳 感器、陀螺儀進(jìn)一步普及，同時在小型設(shè)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(fù)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(lǐng)先的低耗電量， 僅為4mA。他們多應(yīng)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(shè)備。