MEMS加速度传感器

MEMS加速度传感器学院：理学院专业：物理电子学某某：学号：目录MEMS加速度传感器1 简介31、什么是加速度传感器？ 32、 什么是MEMS加速度传感器？ 3MEMS加速度计的应用领域 4MEMS加速度传感器的工作原理 4MEMS加速度传感器的现状与发展方向51、前景预测52、最新发展6简介1、什么是加速度传感器?加速度传感器是一种惯性传感器，能够测量物体的加速力。加速力就是当物 体在加速过程中作用在物体上的力， 就比如地球引力，也就是重力。加速力可以 是个常量，比如g,也可以是变量。2、什么是MEMS加速度传感器？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。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与 技术，具有广阔的应用前景。目前，全世界有大约600余家单位从事MEMS勺研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示 器在内的几百种产品，其中微传感器占相当大的比例。微传感器是采用微电子和微机械 加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本 低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微 米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。本文概述国内外目前已实现的微机械传感器特别是微机械谐振式传感器的类型、工作原理、性能和 发展方向。MEMS(Micro Electro Mechanical Systems加速度传感器就是使用 ME MS技术制造的加速度传感器。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。MEMS加速度计具有体积小、重量轻、能耗低等优点。MEMS加速度计的应用领域通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角 度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。 现在工程师们已经想 出了很多方法获得更多的有用的信息。MEMS卩速度计可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还 是在走下坡，摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说， 对于控制姿态也是至 关重要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。 一个 好的工程师能够使用MEMS卩速度计来回答所有上述问题。目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了 MEM加速度计，能够动态的监 测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘 还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境， 或者不小心摔了电脑所造成的硬盘损害，最大程度地保护里面的数据。目前在一 些先进的移动硬盘上也使用了这项技术。另外一个用处就是在目前的数码相机和摄像机里，用 MEMS卩速度计来检测 拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。MEMS卩速度计还可以用来分析发动机的振动。汽车防撞气囊的启动也可以 由MEMS卩速度计控制。由此可见MEMS卩速度计可以在我们的生活中发挥重要作用。归纳其应用主 要有以下几个方面：振动检测、姿态控制、安防报警、消费应用、动作识别、状 态记录等。MEMS加速度传感器的工作原理下面会对几种MEMS加速度传感器的工作原理做一个简单的介绍。技术成熟的MEMS加速度计分为三种：压电式、容感式、热感式。压电式加 速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石 英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。 当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正 比。压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。 某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反 的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应”具有 压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。容感式MEMS加速度计内部也存在一个质量块，从单个单元来看，它是标 准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的 间距和正对面积，通过测量电容变化量来计算加速度。电容型加速度传感器的结 构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定 电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度传感器 相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较 小；但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性， 量程有限，受电缆的电容影 响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源， 因此电容传感器的输出信号往往需通 过后继电路给于改善。在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量， 其通用性不如压电式加速度传感器， 且成本也比压电式加速度传感器高得多。 热 感式MEMS加速度计内部没有任何质量块，它的中央有一个加热体，周边是温 度传感器，里面是密闭的气腔，工作时在加热体的作用下，气体在内部形成一个 热气团，热气团的比重和周围的冷气是有差异的， 通过惯性热气团的移动形成的 热场变化让感应器感应到加速度值。由于压电式MEMS卩速度计内部有刚体支撑的存在，通常情况下，压电式MEMS 加速度计只能感应到“动态”加速度，而不能感应到“静态”加速度，也就是我 们所说的重力加速度。而容感式和热感式既能感应“动态”加速度，又能感应“静 态”加速度。MEMS加速度传感器的现状与发展方向1、前景预测咨询公司INTECHNOCONSULTING 的传感器市场报告显示，2008年全球 传感器市场容量为506亿美元，预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。 调查显示，东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德 国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界 X围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已 表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大， 分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无 线传感器、MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems ，微机电系统）传感器、生 物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在 2007-2010年复合年增长率预计会 超过25%。全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速 新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未 来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器 等新型传感器的出现与市场份额的扩大。电容传感器有望有一个强劲的增长，2004年后增长将会更快，估计从1997 年到2007年综合年增长率为5.9%,其中最高可达33.2%，其市值2000年为0.75亿 美元，到2007年将达到1.1亿美元。来自欧洲和北美洲的汽车业和工业用户是这 些产品的主要购买者。2000年的市场上北美占40.4%，欧洲占48.9%。汽车行业 使用电容式传感器主要用于安全系统、轮胎磨损监测、惯性刹车灯、前灯水准测 量、安全带伸缩、自动门锁和安全气囊。对于设计人员来说，电容式传感器是非 常有吸引力的，因为它无需接触待测物，所以不必挤进狭窄的空间中。2、最新发展随着智能手机等的普及，要求设备具备更高的功能和可设计性，在这种情况 下，对组件的高度集成化和小型化的需求强劲。 另外，高性能化导致电池的消耗 增加，因此，对于搭载在设备上的各种元器件，要求具备更低的功耗。业界最小 尺寸的加速度传感器最高分辨率达到14bit，具有低功耗、 耐冲击性高及可编程 的待机唤醒功能，能够进行倾斜检测、运动检测等；而另外一款高性能、低功耗、 低成本、低噪音的加速度传感器具有高稳定性，最高分辨率达 4bit的特点，可高 精度倾斜检测、运动检测等，目前此两种设备主要应用于智能手机、平板/笔记本电脑、数码相机、游戏机及其他小型民生设备。智能手机和游戏机等具有更多感官性运动的设备操作需求高涨，另外，出现了智能电视用的运动遥控等新需求。 在这些运动检测中，使用了历来使用的加速 度传感器，还增加了陀螺仪，提高了操作感受。小型封装陀螺仪采用FIFO缓冲区，可减少来自微控制器的访问频率， 具备旋转运动检测功能。而随着加速度传 感器、陀螺仪进一步普及，同时在小型设备中使用案例日益增加。 单芯片化以及 在1个系统的通信接口一起使用2个传感器的需求不断增加。小型封装的3轴加速 度传感器和3轴陀螺仪的复合传感器的渐渐出现，不但具有以上小型封装陀螺仪 的各种特点和功能，同时还拥有业界领先的低耗电量， 仅为4mA。他们多应用于 智能手机、平板电脑、游戏机、遥控器、 PND及其他小型民生设备。