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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(hào)： 目錄 MEMS加速度傳感器1 簡(jiǎn)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(jì)的應(yīng)用領(lǐng)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(yù)測(cè)5 2、 最新發(fā)展6 簡(jiǎn)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(cè)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(gè)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(jī)電系統(tǒng)(Microelectro Mechanical Systems,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(jī)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(jī)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

3、低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。同時(shí)，在微 米量級(jí)的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。 本文概述國(guó) 內(nèi)外目前已實(shí)現(xiàn)的微機(jī)械傳感器特別是微機(jī)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(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，使得其尺寸大大縮 小，一個(gè)MEMS加速度計(jì)只有指甲蓋的幾分之一大小。 MEMS加速度計(jì)具有體 積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。 MEMS加速度計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域 通過測(cè)量由于重力引起的加速度，你可以計(jì)算出設(shè)備

4、相對(duì)于水平面的傾斜角 度。通過分析動(dòng)態(tài)加速度，你可以分析出設(shè)備移動(dòng)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有用的信息。 MEMS卩速度計(jì)可以幫助你的機(jī)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(duì)于飛行類的機(jī)器人來說， 對(duì)于控制姿態(tài)也是至 關(guān)重要的。更要確保的是，你的機(jī)器人沒有帶著炸彈自己前往人群密集處。 一個(gè) 好的工程師能夠使用MEMS卩速度計(jì)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(jì)，能夠動(dòng)態(tài)的監(jiān) 測(cè)出筆記本在使用中的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)智能的選擇關(guān)閉硬盤 還是讓其繼續(xù)運(yùn)行，這樣可以最大程度的

5、保護(hù)由于振動(dòng)，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(dòng)硬盤上也使用了這項(xiàng)技術(shù)。 另外一個(gè)用處就是在目前的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，用 MEMS卩速度計(jì)來檢測(cè) 拍攝時(shí)候的手部的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。 MEMS卩速度計(jì)還可以用來分析發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。汽車防撞氣囊的啟動(dòng)也可以 由MEMS卩速度計(jì)控制。 由此可見MEMS卩速度計(jì)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(gè)方面：振動(dòng)檢測(cè)、姿態(tài)控制、安防報(bào)警、消費(fèi)應(yīng)用、動(dòng)作識(shí)別、狀 態(tài)記錄等。 MEMS加速度傳感器的工作原理 下面會(huì)對(duì)幾種MEMS加速度傳感

6、器的工作原理做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。 技術(shù)成熟的MEMS加速度計(jì)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(jì)。它也屬于慣性式傳感器。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(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。 當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)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(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)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、

7、壓電陶瓷等。 容感式MEMS加速度計(jì)內(nèi)部也存在一個(gè)質(zhì)量塊，從單個(gè)單元來看，它是標(biāo) 準(zhǔn)的平板電容器。加速度的變化帶動(dòng)活動(dòng)質(zhì)量塊的移動(dòng)從而改變平板電容兩極的 間距和正對(duì)面積，通過測(cè)量電容變化量來計(jì)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(yùn)動(dòng)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(jì)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(diǎn)，尤其是受溫度的影響比較 ??；但不足之處表現(xiàn)在信號(hào)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(hào)源， 因此電容傳感器的輸出信號(hào)往往需通 過后繼電

8、路給于改善。在實(shí)際應(yīng)用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測(cè)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(jì)內(nèi)部沒有任何質(zhì)量塊，它的中央有一個(gè)加熱體，周邊是溫 度傳感器，里面是密閉的氣腔，工作時(shí)在加熱體的作用下，氣體在內(nèi)部形成一個(gè) 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(dòng)形成的 熱場(chǎng)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(jì)內(nèi)部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式MEMS 加速度計(jì)只能感應(yīng)到“動(dòng)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(dòng)態(tài)”加速度

9、，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(cè) 咨詢公司INTECHNOCONSULTING 的傳感器市場(chǎng)報(bào)告顯示，2008年全球 傳感器市場(chǎng)容量為506億美元，預(yù)計(jì)2010年全球傳感器市場(chǎng)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(chǎng)增長(zhǎng)最快的地區(qū)，而美國(guó)、德 國(guó)、日本依舊是傳感器市場(chǎng)分布最大的地區(qū)。就世界 X圍而言，傳感器市場(chǎng)上 增長(zhǎng)最快的依舊是汽車市場(chǎng)，占第二位的是過程控制市場(chǎng)，看好通訊市場(chǎng)前景 一些傳感器市場(chǎng)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(chǎng)的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市

10、場(chǎng)規(guī)模最大， 分別占到整個(gè)傳感器市場(chǎng)的21%、19%和14%。傳感器市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)來自于無 線傳感器、MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems ，微機(jī)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(fù)合年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)會(huì) 超過25%。 全球的傳感器市場(chǎng)在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。 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(guó)將競(jìng)相加速 新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)，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(chǎng)份額的擴(kuò)大。 電容傳感器有望有一個(gè)強(qiáng)勁的增長(zhǎng)，2004年后增長(zhǎng)將會(huì)更快，估計(jì)從1997 年到2007年綜合年增長(zhǎng)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(gòu)買者。2000年的市場(chǎng)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(cè)、慣性剎車燈、前燈水準(zhǔn)測(cè) 量、安全帶伸縮、自動(dòng)門鎖和安全氣囊。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，電容式傳感器是非 常有吸引力的，因?yàn)樗鼰o需接觸待測(cè)物，所以不必?cái)D進(jìn)狹窄的空間中。 2、最新發(fā)展 隨著智能手機(jī)等的普

12、及，要求設(shè)備具備更高的功能和可設(shè)計(jì)性，在這種情況 下，對(duì)組件的高度集成化和小型化的需求強(qiáng)勁。 另外，高性能化導(dǎo)致電池的消耗 增加，因此，對(duì)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(jī)喚醒功能，能夠進(jìn)行傾斜檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)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(diǎn)，可高 精度傾斜檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等，目前此兩種設(shè)備主要應(yīng)用于智能手機(jī)、平板 /筆記 本電腦、數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)及其他小型民生設(shè)備。 智能手機(jī)和游戲機(jī)等具有更多感官性運(yùn)動(dòng)的設(shè)備操作需求

13、高漲， 另外，出現(xiàn) 了智能電視用的運(yùn)動(dòng)遙控等新需求。 在這些運(yùn)動(dòng)檢測(cè)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(yùn)動(dòng)檢測(cè)功能。而隨著加速度傳 感器、陀螺儀進(jìn)一步普及，同時(shí)在小型設(shè)備中使用案例日益增加。 單芯片化以及 在1個(gè)系統(tǒng)的通信接口一起使用2個(gè)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(diǎn)和功能，同時(shí)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(jī)、平板電腦、游戲機(jī)、遙控器、 PND及其他小型民生設(shè)備。