第十五章MEMS傳感器

1、 第第1515章章 MEMS MEMS傳感器傳感器 15.1 15.1 概概 述述 15.2 MEMS 15.2 MEMS傳感器分類傳感器分類 15.3 MEMS 15.3 MEMS加速度計加速度計 15.3.1 15.3.1 壓阻式壓阻式MEMSMEMS加速度計加速度計 15.3.2 15.3.2 電容式電容式MEMSMEMS加速度計加速度計 15.3.3 15.3.3 靜電力平衡式靜電力平衡式MEMSMEMS加速度計加速度計 15.3.4 15.3.4 石英振梁式石英振梁式MEMSMEMS加速度計加速度計 15.3.5 15.3.5 隧道效應隧道效應MEMSMEMS加速度計加速度計 15.

2、4 MEMS 15.4 MEMS陀螺陀螺 15.4.1 15.4.1 石英音叉石英音叉MEMSMEMS振動陀螺儀振動陀螺儀 15.4.2 MEMS 15.4.2 MEMS硅雙框架振動陀螺儀硅雙框架振動陀螺儀 15.4.3 MEMS 15.4.3 MEMS硅梳狀驅動振動陀螺儀硅梳狀驅動振動陀螺儀 15.4.4 MEMS 15.4.4 MEMS靜電陀螺儀靜電陀螺儀 15.5 MEMS 15.5 MEMS傳感器的信號調理傳感器的信號調理 15.5.1 MEMS15.5.1 MEMS壓阻式傳感器的信號調理壓阻式傳感器的信號調理 15.5.2 MEMS15.5.2 MEMS電容式傳感器的信號調理電容式傳

3、感器的信號調理 15.5.3 MEMS 15.5.3 MEMS諧振式傳感器的信號調理諧振式傳感器的信號調理 15.1 15.1 概概 述述 MEMS這個詞是這個詞是Microelectromechanical System的縮寫，的縮寫，通常稱為微型機電系統(tǒng)。微型機電系統(tǒng)通常稱為微型機電系統(tǒng)。微型機電系統(tǒng)(MEMS)是指可以批是指可以批量制作的、集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信量制作的、集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通訊和電源等于一體的微號處理和控制電路、直至接口、通訊和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。型器件或系統(tǒng)。 15.2 MEMS 15.2 M

4、EMS傳感器分類傳感器分類 通過通過MEMS加工技術制備的新一代傳感器件，具有小型化、集成化的特加工技術制備的新一代傳感器件，具有小型化、集成化的特點。點。(1)可以極大地提高傳感器性能。在信號傳輸前就可放大信號，從而減少可以極大地提高傳感器性能。在信號傳輸前就可放大信號，從而減少干擾和傳輸噪音，提高信噪比；在芯片上集成反饋線路和補償線路，可改善干擾和傳輸噪音，提高信噪比；在芯片上集成反饋線路和補償線路，可改善輸出的線性度和頻響特性，降低誤差，提高靈敏度。輸出的線性度和頻響特性，降低誤差，提高靈敏度。(2)具有陣列性?？梢栽诰哂嘘嚵行??？梢栽谝粔K芯片上集成敏感元件、放大電路和補償線路?？梢园讯?/p>

5、個相同的敏感元一塊芯片上集成敏感元件、放大電路和補償線路。可以把多個相同的敏感元件集成在同一芯片上。件集成在同一芯片上。(3)具有良好的兼容性，便于與微電子器件集成與封裝。具有良好的兼容性，便于與微電子器件集成與封裝。(4)利用成熟的硅微半導體工藝加工制造，可以批量生產，成本非常低廉。利用成熟的硅微半導體工藝加工制造，可以批量生產，成本非常低廉。 MEMS傳感器沒有統(tǒng)一的分類方法，按照目前的傳感器沒有統(tǒng)一的分類方法，按照目前的MEMS傳感器產品和研傳感器產品和研究情況，本書將目前的究情況，本書將目前的MEMS傳感器分為十類，包括微機械加速度傳感器、傳感器分為十類，包括微機械加速度傳感器、微機械

6、角速度傳感器、微型壓力傳感器、微型磁傳感器、微型熱傳感器、微微機械角速度傳感器、微型壓力傳感器、微型磁傳感器、微型熱傳感器、微型氣敏傳感器、微型光傳感器、微型電場傳感器、微型生物傳感器、微型化型氣敏傳感器、微型光傳感器、微型電場傳感器、微型生物傳感器、微型化學傳感器等，本章將介紹常見的學傳感器等，本章將介紹常見的MEMS加速度計與加速度計與MEMS陀螺。陀螺。 15.3 MEMS 15.3 MEMS加速度計加速度計 加速度計在許多不同的領域均有應用，例如：配有氣囊的汽車、加速度計在許多不同的領域均有應用，例如：配有氣囊的汽車、航海器、心房脈動探測器、機器監(jiān)控等。由于航海器、心房脈動探測器、機器

7、監(jiān)控等。由于MEMS加速度計在許多加速度計在許多設計中，能減小費用設計中，能減小費用/批量、改善性能，因此正飛速地開辟新的應用領批量、改善性能，因此正飛速地開辟新的應用領域。域。MacDonald和和Giachino都對都對MEMS加速度計在汽車領域的應用作加速度計在汽車領域的應用作了很好的綜述。了很好的綜述。 MEMSMEMS加速度計又稱硅加速度計，它感測加速度的原理仍與一般的加加速度計又稱硅加速度計，它感測加速度的原理仍與一般的加速度計相同。根據讀取元件的不同，微機械加速度計又有壓阻式、電容速度計相同。根據讀取元件的不同，微機械加速度計又有壓阻式、電容式、靜電平衡式和石英振梁式之分。式、靜

8、電平衡式和石英振梁式之分。 15.3.1 15.3.1 壓阻式壓阻式MEMSMEMS加速度計加速度計 硅制檢測質量由單撓性臂或雙撓性臂支承，在撓性臂處采用離子注硅制檢測質量由單撓性臂或雙撓性臂支承，在撓性臂處采用離子注入法形成壓敏電阻。壓阻式加速度計原理結構如圖所示。其工作原理為：入法形成壓敏電阻。壓阻式加速度計原理結構如圖所示。其工作原理為：當有加速度當有加速度a輸入時，檢測質量受到慣性力作用產生偏轉，并在撓性臂上輸入時，檢測質量受到慣性力作用產生偏轉，并在撓性臂上產生應力，使壓敏電阻的電組織發(fā)生變化，從而提供一個正比于輸入加產生應力，使壓敏電阻的電組織發(fā)生變化，從而提供一個正比于輸入加速度

9、的輸出信號。速度的輸出信號。 經過經過20年的研究和開發(fā)，關于壓阻式加速度傳感器的設計已經年的研究和開發(fā)，關于壓阻式加速度傳感器的設計已經形成了一套比較成熟的理論體系，它具有加工藝簡單，測量方法易形成了一套比較成熟的理論體系，它具有加工藝簡單，測量方法易行，線性度好等優(yōu)點，已經于行，線性度好等優(yōu)點，已經于 80年代末得到廣泛應用。但是，壓阻年代末得到廣泛應用。但是，壓阻式加速度傳感器有兩個很嚴重的缺點：溫度效應嚴重；靈敏度較低，式加速度傳感器有兩個很嚴重的缺點：溫度效應嚴重；靈敏度較低，一般只能到一般只能到1mg（即）。通過溫度控制電路可以對溫度效應進行補償，（即）。通過溫度控制電路可以對溫度

10、效應進行補償，但提高靈敏度方面難度很大。但提高靈敏度方面難度很大。 15.3.2 15.3.2 電容式電容式MEMSMEMS加速度計加速度計 電容式電容式MEMS加速度計類似壓阻式加速度計，區(qū)別是在檢測質量下加速度計類似壓阻式加速度計，區(qū)別是在檢測質量下面設置一個讀取電極，而不是注入壓敏電阻。組成結構原理如圖所示。面設置一個讀取電極，而不是注入壓敏電阻。組成結構原理如圖所示。其工作原理為：當加速度輸入使檢測質量偏轉時，由讀取電極與檢測質其工作原理為：當加速度輸入使檢測質量偏轉時，由讀取電極與檢測質量所構成電容器的電容量發(fā)生變化，從而提供一個正比于輸入加速度的量所構成電容器的電容量發(fā)生變化，從而

11、提供一個正比于輸入加速度的輸出信號。輸出信號。 為了提高測量靈敏度，可采用差動電容式方案。差動電容式加速度為了提高測量靈敏度，可采用差動電容式方案。差動電容式加速度計的組成結構如圖所示。其工作原理為硅制檢測質量由雙撓性臂或四撓計的組成結構如圖所示。其工作原理為硅制檢測質量由雙撓性臂或四撓性臂支承，在檢測質量兩側的儀表殼體上各設置一個電極。在硅制檢測性臂支承，在檢測質量兩側的儀表殼體上各設置一個電極。在硅制檢測質量的表面上也需要進行金屬化處理，它與二個電極之間便形成具有公質量的表面上也需要進行金屬化處理，它與二個電極之間便形成具有公共電極的二個電容器。共電極的二個電容器。 當加速度輸入使檢測質量

12、偏轉（對雙撓性臂支承方案）或平移（對當加速度輸入使檢測質量偏轉（對雙撓性臂支承方案）或平移（對四撓性臂支承方案）時，兩個電容器的電容量發(fā)生差動變化，從而提供四撓性臂支承方案）時，兩個電容器的電容量發(fā)生差動變化，從而提供一個正比于輸入加速度的輸出信號。一個正比于輸入加速度的輸出信號。 電容式加速度傳感器具有溫度效應小，靈敏度相對較高，電容式加速度傳感器具有溫度效應小，靈敏度相對較高，可達可達0.01mg (即即)，加工工藝不復雜等優(yōu)點，也是目前應用很廣，加工工藝不復雜等優(yōu)點，也是目前應用很廣泛的一種加速度傳感器，缺點在于，需要測量小電容，因而測泛的一種加速度傳感器，缺點在于，需要測量小電容，因而

13、測試方法復雜，同時，由于分布電容和電磁干擾的影響，測試精試方法復雜，同時，由于分布電容和電磁干擾的影響，測試精確度不高。改進的方法是，在傳感器與測試電路之間加入前置確度不高。改進的方法是，在傳感器與測試電路之間加入前置電路以去除干擾。電路以去除干擾。 15.3.3 15.3.3 靜電力平衡式靜電力平衡式MEMSMEMS加速度計加速度計 壓阻式或電容式微機械加速度計均是開環(huán)工作方式。當沿輸入軸的加壓阻式或電容式微機械加速度計均是開環(huán)工作方式。當沿輸入軸的加速度使檢測質量產生偏轉時，還將敏感沿交叉軸的加速度而引起交叉耦速度使檢測質量產生偏轉時，還將敏感沿交叉軸的加速度而引起交叉耦合誤差，影響加速度

14、計的測量精度。采用閉環(huán)工作方式可以克服這一不合誤差，影響加速度計的測量精度。采用閉環(huán)工作方式可以克服這一不足。靜電力平衡式足。靜電力平衡式MEMS加速度計即屬于此種類型。它利用力平衡回路加速度計即屬于此種類型。它利用力平衡回路產生的靜電力（或力矩）來平衡加速度引起的作用在檢測質量上的慣性產生的靜電力（或力矩）來平衡加速度引起的作用在檢測質量上的慣性力（或力矩）。施加在用以產生靜電力（或力矩）的電極上的控制電壓，力（或力矩）。施加在用以產生靜電力（或力矩）的電極上的控制電壓，可作為輸入加速度的量度。其基本結構與上述差動電容式相同，但增加可作為輸入加速度的量度。其基本結構與上述差動電容式相同，但增

15、加了一個靜電力平衡回路。圖為靜電平衡式加速度計原理結構圖。了一個靜電力平衡回路。圖為靜電平衡式加速度計原理結構圖。 每個電極靜電吸引力的大小都與所施加的電場強度每個電極靜電吸引力的大小都與所施加的電場強度的平方成正比。由于靜電力平衡回路具有足夠高的增的平方成正比。由于靜電力平衡回路具有足夠高的增益，檢測質量的偏角極小，即極板的間隙變化極小時，益，檢測質量的偏角極小，即極板的間隙變化極小時，靜電力矩便平衡了慣性力矩，故可以近似認為每個電靜電力矩便平衡了慣性力矩，故可以近似認為每個電極靜電吸引力之矩均為所施加的電壓的平方成正比。極靜電吸引力之矩均為所施加的電壓的平方成正比。據此得到靜電力矩的大小為

16、據此得到靜電力矩的大小為 ，式中，式中，k k為為系數，它取決于介電常數、電極的幾何形狀及極板的系數，它取決于介電常數、電極的幾何形狀及極板的初始間隙。將初始間隙。將 和和 帶入上式，可帶入上式，可得得 ，靜電力矩的方向恰與慣性力矩的方向相，靜電力矩的方向恰與慣性力矩的方向相反，它具有恢復力矩的性質。當靜電力平衡回路到達反，它具有恢復力矩的性質。當靜電力平衡回路到達穩(wěn)態(tài)時，有穩(wěn)態(tài)時，有 ，于是得到，于是得到 。這表明，。這表明，如果把控制電壓如果把控制電壓 作為輸出，則該輸出電壓與輸入加作為輸出，則該輸出電壓與輸入加速度速度a a成正比。成正比。2221UUkMeUUU02UUU01UkUMe

17、04aeMM akUmlU04U 15.3.4 15.3.4 石英振梁式石英振梁式MEMSMEMS加速度計加速度計 在石英振梁在石英振梁MEMS加速度計中，利用石英振梁或者稱諧振器作為力加速度計中，利用石英振梁或者稱諧振器作為力的監(jiān)測元件。石英振梁是在晶片上采用光刻工藝加工而成。長而薄的石的監(jiān)測元件。石英振梁是在晶片上采用光刻工藝加工而成。長而薄的石英晶體以一定的頻率振動，其諧振頻率取決于它的幾何形狀和物理特性。英晶體以一定的頻率振動，其諧振頻率取決于它的幾何形狀和物理特性。如果晶體不受力時以某一諧振頻率振動，則在受拉力作用時頻率將增大，如果晶體不受力時以某一諧振頻率振動，則在受拉力作用時頻率

18、將增大，受壓力作用時頻率減小。當有加速度輸入時，加速度計中檢測質量的慣受壓力作用時頻率減小。當有加速度輸入時，加速度計中檢測質量的慣性力將作用在諧振器上，使諧振頻率上升或下降。性力將作用在諧振器上，使諧振頻率上升或下降。 石英振梁式石英振梁式MEMS加速度計可獲得較高的測量精度。它有單振梁和加速度計可獲得較高的測量精度。它有單振梁和雙振梁兩種結構形式。為了改善加速度計的偏置穩(wěn)定性和信噪比，通常雙振梁兩種結構形式。為了改善加速度計的偏置穩(wěn)定性和信噪比，通常采用雙振梁即雙諧振器結構形式。采用雙振梁即雙諧振器結構形式。 石英振梁式石英振梁式MEMSMEMS加速度計的工作原理：假定無加速度輸入時，加速

19、度計的工作原理：假定無加速度輸入時，兩個諧振器的諧振頻率相等，均為兩個諧振器的諧振頻率相等，均為 。當有加速度輸入時，檢測。當有加速度輸入時，檢測質量的慣性力使其中一個諧振器受拉力作用，并使另一個諧振器質量的慣性力使其中一個諧振器受拉力作用，并使另一個諧振器受壓力作用。于是，前者的諧振頻率上升，從受壓力作用。于是，前者的諧振頻率上升，從 增到增到 ；后者的；后者的諧振頻率下降，從諧振頻率下降，從 減至減至 。兩個諧振器的頻率之差（。兩個諧振器的頻率之差（ - - ）與輸入加速度與輸入加速度a a成正比。成正比。 從這種加速度計可以直接獲得導航系統(tǒng)所需要的速度增量信從這種加速度計可以直接獲得導航

20、系統(tǒng)所需要的速度增量信息。速度增量的計算公式為息。速度增量的計算公式為 ，式中，式中K K是刻度系數；是刻度系數；N N1 1和和N N2 2分別是一個采樣周期分別是一個采樣周期T T內兩個諧振器輸出累積的計數可表內兩個諧振器輸出累積的計數可表示為示為 ， ；因此速度增量公式；因此速度增量公式可以寫成可以寫成 ，即可得到加速度。，即可得到加速度。0f0f0f1f1f2f2f21NNKTfdtfNTtt11100TfdtfNTtt2220021ffKT 15.3.5 15.3.5 隧道效應隧道效應MEMSMEMS加速度計加速度計 硅層通過靜電鍵合支撐在底層玻璃片上。檢驗質量、隧道尖電極和懸硅層通

21、過靜電鍵合支撐在底層玻璃片上。檢驗質量、隧道尖電極和懸臂梁都制作在硅片上。通過雙面腐蝕制作出的檢驗質量與硅片等厚臂梁都制作在硅片上。通過雙面腐蝕制作出的檢驗質量與硅片等厚,表面尺表面尺寸為寸為22。為了減小偏軸誤差。為了減小偏軸誤差,分別在檢驗質量的兩面各制作了一分別在檢驗質量的兩面各制作了一組支撐懸臂梁。每組懸臂梁由四個折疊的濃硼摻雜硅梁組成。在隧道硅尖組支撐懸臂梁。每組懸臂梁由四個折疊的濃硼摻雜硅梁組成。在隧道硅尖上濺射上上濺射上/多層金屬作為隧道電極多層金屬作為隧道電極.鉻金屬層為黏附層鉻金屬層為黏附層,用來增用來增加硅和金屬層的黏附性。鉑金屬層為阻擋層加硅和金屬層的黏附性。鉑金屬層為阻

22、擋層,用來阻擋鉻原子向金表面遷移。用來阻擋鉻原子向金表面遷移。鉻原子遷移到表面就會迅速氧化鉻原子遷移到表面就會迅速氧化,從而使隧道效應失效。金是隧道電極的理從而使隧道效應失效。金是隧道電極的理想金屬想金屬,因為它不與環(huán)境中的氣體分子發(fā)生反應。底層玻璃片是硅結構層和因為它不與環(huán)境中的氣體分子發(fā)生反應。底層玻璃片是硅結構層和上層玻璃片的支撐層上層玻璃片的支撐層,在其上面制作有兩個金屬電極。在其上面制作有兩個金屬電極。1個電極為第個電極為第2個隧道個隧道電極電極,另一個電極為下偏轉電極。上層玻璃片鍵合在硅片上另一個電極為下偏轉電極。上層玻璃片鍵合在硅片上,制作有保護電制作有保護電極。所有的電極都是極

23、。所有的電極都是/多層金屬。多層金屬。 電子隧道加速度傳感器的工作原理和（掃描隧道顯微鏡）一樣，電子隧道加速度傳感器的工作原理和（掃描隧道顯微鏡）一樣，隧道式加速度計原理結構圖如圖左所示。圖右為隧道式加速度計原理電路圖。隧道式加速度計原理結構圖如圖左所示。圖右為隧道式加速度計原理電路圖。 利用隧道效應做加速度傳感器，可以得到極高的靈敏度，大約在左利用隧道效應做加速度傳感器，可以得到極高的靈敏度，大約在左右；而且由于是電流檢測，抗干擾能力很強，溫度效應??；由于質量塊右；而且由于是電流檢測，抗干擾能力很強，溫度效應小；由于質量塊的機械活動范圍小，因而其線性度高，可靠性好，是加速度傳感器在高的機械活

24、動范圍小，因而其線性度高，可靠性好，是加速度傳感器在高靈敏度，高可靠性方面應用的一個典型代表，也是加速度傳感器發(fā)展的靈敏度，高可靠性方面應用的一個典型代表，也是加速度傳感器發(fā)展的一個重要方向，成為目前加速度傳感器研究的熱門之一。而由于其精密一個重要方向，成為目前加速度傳感器研究的熱門之一。而由于其精密性，造成了加工難度大的困難，成品率不高。隧道加速度計自出現以來性，造成了加工難度大的困難，成品率不高。隧道加速度計自出現以來顯示了巨大前景。今后的研究主要關注于提高靈敏度，降低工作電壓等顯示了巨大前景。今后的研究主要關注于提高靈敏度，降低工作電壓等方面。理論上由于器件尺寸縮小，熱噪聲變得不可忽視，

25、關于噪聲的理方面。理論上由于器件尺寸縮小，熱噪聲變得不可忽視，關于噪聲的理論研究越來越重要。論研究越來越重要。 15.4 MEMS 15.4 MEMS陀螺陀螺 陀螺是一種用于測量旋轉速度或旋轉角的儀器。它在運輸系統(tǒng)，例陀螺是一種用于測量旋轉速度或旋轉角的儀器。它在運輸系統(tǒng)，例如導航、剎車調節(jié)控制和加速度測量等方面有很多應用。傳統(tǒng)的陀螺可如導航、剎車調節(jié)控制和加速度測量等方面有很多應用。傳統(tǒng)的陀螺可分成兩類：光學式和機械式。光學式陀螺利用光環(huán)使光束在相反方向旋分成兩類：光學式和機械式。光學式陀螺利用光環(huán)使光束在相反方向旋轉。當陀螺結構旋轉時，檢測光束的多普勒位移。機械式陀螺通常使用轉。當陀螺結構

26、旋轉時，檢測光束的多普勒位移。機械式陀螺通常使用振動結構，尤其是振動結構，尤其是MEMS陀螺儀?；驹硎且蕾嚫缡霞铀俣鹊漠a生和陀螺儀。基本原理是依賴哥氏加速度的產生和探測。探測。 目前目前MEMS陀螺儀作為世界上微型陀螺儀的發(fā)展方向，受到廣泛而陀螺儀作為世界上微型陀螺儀的發(fā)展方向，受到廣泛而密切的關注，這里就密切的關注，這里就MEMS陀螺儀進行介紹。陀螺儀進行介紹。 MEMS陀螺儀是一種很特殊的振動加速度計，專門測量哥氏（陀螺儀是一種很特殊的振動加速度計，專門測量哥氏（Coriolis）加速度。所有振動陀螺儀的基本工作原理依賴哥氏加速度的產生和探測。圖加速度。所有振動陀螺儀的基本工作原理依賴

27、哥氏加速度的產生和探測。圖為為MEMS陀螺儀基本原理。一個最基本的振動陀螺儀包括一個處于懸浮狀態(tài)陀螺儀基本原理。一個最基本的振動陀螺儀包括一個處于懸浮狀態(tài)的檢測質量塊，可以在兩個正交方向上移動。這個質量塊必須運動才能產生的檢測質量塊，可以在兩個正交方向上移動。這個質量塊必須運動才能產生哥氏加速度。這樣，質量塊就會在一個平行于表面方向（圖的左右方向）上哥氏加速度。這樣，質量塊就會在一個平行于表面方向（圖的左右方向）上振動。如果陀螺儀繞垂直于表面方向的軸轉動，那么哥氏加速度會導致質量振動。如果陀螺儀繞垂直于表面方向的軸轉動，那么哥氏加速度會導致質量塊沿另一個方向（圖中的上下方向）偏轉。其中振動的振

28、幅與旋轉的角速度塊沿另一個方向（圖中的上下方向）偏轉。其中振動的振幅與旋轉的角速度成正比，所以幾乎和加速度計一樣的電容傳感器就得到了一個和角速度成比成正比，所以幾乎和加速度計一樣的電容傳感器就得到了一個和角速度成比例的電壓值。盡管這看起來很簡單，但是制作一個有效的例的電壓值。盡管這看起來很簡單，但是制作一個有效的MEMS陀螺儀還是陀螺儀還是需要很高的技術。需要很高的技術。 目前世界上微機械陀螺儀預計能達到性能指標。目前世界上微機械陀螺儀預計能達到性能指標。 15.4.1 15.4.1 石英音叉石英音叉MEMSMEMS振動陀螺儀振動陀螺儀 音叉振動式音叉振動式MEMS陀螺儀采用石英晶體作為音叉的

29、材料，并由化學陀螺儀采用石英晶體作為音叉的材料，并由化學蝕刻成，然后再用激光修刻調整平衡。音叉作為支承，與儀表殼體相固蝕刻成，然后再用激光修刻調整平衡。音叉作為支承，與儀表殼體相固連。在音叉雙臂的表面設置激振電極和讀取電極，這些電極是在音叉表連。在音叉雙臂的表面設置激振電極和讀取電極，這些電極是在音叉表面先沉積一薄層鉻再沉積一薄層金而成。音叉的激振由石英晶體的逆壓面先沉積一薄層鉻再沉積一薄層金而成。音叉的激振由石英晶體的逆壓電效應實現，信號的讀取由石英晶體的壓電效應實現，圖為音叉式陀螺電效應實現，信號的讀取由石英晶體的壓電效應實現，圖為音叉式陀螺儀原理結構圖。儀原理結構圖。 音叉振動式音叉振動

30、式MEMS陀螺儀的原理：在激振電極上施加交變陀螺儀的原理：在激振電極上施加交變電壓使音叉雙臂以諧振頻率振動，音叉雙臂上各質點就沿電壓使音叉雙臂以諧振頻率振動，音叉雙臂上各質點就沿y軸振軸振動（因振幅很小，故可視為線振動）。設某質點的質量為動（因振幅很小，故可視為線振動）。設某質點的質量為m，振，振動規(guī)律為動規(guī)律為 。當儀表殼體繞。當儀表殼體繞x軸以角速度軸以角速度相對慣性空間相對慣性空間轉動時，則作用在該質點上的哥氏慣性力為轉動時，則作用在該質點上的哥氏慣性力為 。音。音叉雙臂上各質點都受到交變的哥氏慣性力的作用，使各質點產生叉雙臂上各質點都受到交變的哥氏慣性力的作用，使各質點產生沿沿z軸的振

31、動。其振幅正比于輸入角速度的大小，相位取決于輸軸的振動。其振幅正比于輸入角速度的大小，相位取決于輸入角速度的方向。這一振動由讀取電極檢測，經解調后輸出信號入角速度的方向。這一振動由讀取電極檢測，經解調后輸出信號可作為輸入角速度的度量?？勺鳛檩斎虢撬俣鹊亩攘?。tsssin0tsmFccos20 15.4.2 MEMS 15.4.2 MEMS硅雙框架振動陀螺儀硅雙框架振動陀螺儀 MEMS雙框架陀螺儀結構如圖所示，雙框架陀螺儀結構如圖所示， 其工作原理是：內外框架皆可繞其撓性軸作角振動。當給驅動電極加上其工作原理是：內外框架皆可繞其撓性軸作角振動。當給驅動電極加上交變電壓時，在靜電吸力的作用下，外框

32、架將繞其軸作角振動，同時帶動內交變電壓時，在靜電吸力的作用下，外框架將繞其軸作角振動，同時帶動內框架一起振動。此時，內框架便能敏感沿框架平面法線的角速度。如果沿此框架一起振動。此時，內框架便能敏感沿框架平面法線的角速度。如果沿此方向有角速度輸入，那么內框架在哥氏慣性力的作用下，將繞其軸振動。這方向有角速度輸入，那么內框架在哥氏慣性力的作用下，將繞其軸振動。這將引起其上敏感電容的變化，且電容變化量與輸入角速度的大小成正比，所將引起其上敏感電容的變化，且電容變化量與輸入角速度的大小成正比，所以通過檢測敏感電容變化量的大小，便可獲得輸入角速度值。以通過檢測敏感電容變化量的大小，便可獲得輸入角速度值。

33、 雙框架式振動陀螺儀不同于傳統(tǒng)意義上的旋轉陀螺儀，由于其雙框架式振動陀螺儀不同于傳統(tǒng)意義上的旋轉陀螺儀，由于其結構微?。ㄒ话阒挥袔讉€結構微?。ㄒ话阒挥袔讉€mm），信號極其微弱且易受干擾，對其），信號極其微弱且易受干擾，對其結構進行合理設計，有利于減小信號檢測的難度。使其工作在閉結構進行合理設計，有利于減小信號檢測的難度。使其工作在閉環(huán)狀態(tài)，有利于提高靈敏度，提高測量的線形度。若在電路中采環(huán)狀態(tài)，有利于提高靈敏度，提高測量的線形度。若在電路中采用單片機，可以有效地減小主觀因素的影響，增加信號處理的靈用單片機，可以有效地減小主觀因素的影響，增加信號處理的靈活度，提高測試精度?；疃?，提高測試精度。

34、15.4.3 MEMS 15.4.3 MEMS硅梳狀驅動振動陀螺儀硅梳狀驅動振動陀螺儀 陀螺儀的諧振器和底座上都帶有梳狀結構，二者交疊構成梳狀電極。陀螺儀的諧振器和底座上都帶有梳狀結構，二者交疊構成梳狀電極。因為梳狀驅動的驅動力與位移無關，因而驅動振幅較大，品質因數高，因為梳狀驅動的驅動力與位移無關，因而驅動振幅較大，品質因數高，電子線路實現容易。梳狀驅動可分為平板式結構和動音叉式結構。電子線路實現容易。梳狀驅動可分為平板式結構和動音叉式結構。 梳狀驅動平板式陀螺儀中，帶有梳狀電極的長方形多晶硅平板通過撓性梳狀驅動平板式陀螺儀中，帶有梳狀電極的長方形多晶硅平板通過撓性支臂與單晶硅底座相連，并被

35、支懸在底座的上方。當在固定的梳狀電極上施支臂與單晶硅底座相連，并被支懸在底座的上方。當在固定的梳狀電極上施加帶有直流偏置，但相位相差加帶有直流偏置，但相位相差180的交流電壓時，將產生沿驅動軸交變的的交流電壓時，將產生沿驅動軸交變的靜電驅動力，從而引起平板沿驅動軸靜電驅動力，從而引起平板沿驅動軸(平行于底面平行于底面)作交變的線振動。當殼體作交變的線振動。當殼體繞輸入軸繞輸入軸(y軸軸)以角速度以角速度相對慣性空間轉動時，將形成沿輸出軸交變的哥氏相對慣性空間轉動時，將形成沿輸出軸交變的哥氏慣性力慣性力 ，m是平板的質量。由此引起平板沿輸出軸是平板的質量。由此引起平板沿輸出軸(垂直于垂直于底面底

36、面)作線振動，且振幅與輸入角速度成正比。該振幅可由平板與底座之間作線振動，且振幅與輸入角速度成正比。該振幅可由平板與底座之間氣隙電容的變化來檢測。當驅動角頻率取成與氣隙電容的變化來檢測。當驅動角頻率取成與x軸向固有角頻率相等，工作軸向固有角頻率相等，工作于諧振狀態(tài)時，可得平板沿輸出軸線振動振幅于諧振狀態(tài)時，可得平板沿輸出軸線振動振幅 與輸入角速度與輸入角速度的關系的關系mFc2mZ222212nzznxnznxnznxmxmQmFQZ 15.4.4 MEMS 15.4.4 MEMS靜電陀螺儀靜電陀螺儀 MEMS靜電陀螺儀采用靜電懸浮，通過力矩再平衡回路測出角速度。靜電陀螺儀采用靜電懸浮，通過力

37、矩再平衡回路測出角速度。 轉子是由多晶硅制成的帶有凸緣的扁平狀圓盤，中間圓盤是導電層并轉子是由多晶硅制成的帶有凸緣的扁平狀圓盤，中間圓盤是導電層并被絕緣的硅氮化層與其他的導電層相隔離。轉子由五對多晶硅電極的靜電被絕緣的硅氮化層與其他的導電層相隔離。轉子由五對多晶硅電極的靜電力支懸在中間位置。其中三對軸向施力的電極起軸向定位和防止自轉軸相力支懸在中間位置。其中三對軸向施力的電極起軸向定位和防止自轉軸相對底座傾斜的作用。沿轉子周邊設置的兩對徑向施力電極起徑向定心和轉對底座傾斜的作用。沿轉子周邊設置的兩對徑向施力電極起徑向定心和轉子驅動的作用，轉子在兩對徑向施力電極的作用下高速旋轉產生角動量。子驅動

38、的作用，轉子在兩對徑向施力電極的作用下高速旋轉產生角動量。 敏感電極位于轉子下方，可區(qū)分轉子的軸向、徑向偏移和自轉軸傾斜。敏感電極位于轉子下方，可區(qū)分轉子的軸向、徑向偏移和自轉軸傾斜。轉子的支懸原理類似于常規(guī)靜電陀螺儀。當轉子沿某個方向偏移時，相應轉子的支懸原理類似于常規(guī)靜電陀螺儀。當轉子沿某個方向偏移時，相應的敏感電極的電容量變化，經支承電子線路轉換成控制電壓，并加到相應的敏感電極的電容量變化，經支承電子線路轉換成控制電壓，并加到相應的施力電極上，由此產生的靜電支承力克服了轉子的偏移，使其支懸在中的施力電極上，由此產生的靜電支承力克服了轉子的偏移，使其支懸在中間位置。間位置。 MEMS靜電懸

39、浮陀螺儀原理：陀螺儀測量角速度是借助力矩靜電懸浮陀螺儀原理：陀螺儀測量角速度是借助力矩再平衡電路實現的。轉子上方兩對軸向施力電極起再平衡回路執(zhí)再平衡電路實現的。轉子上方兩對軸向施力電極起再平衡回路執(zhí)行元件的作用。當殼體繞轉子徑向某軸如行元件的作用。當殼體繞轉子徑向某軸如x軸以角速度相對慣性軸以角速度相對慣性空間轉動時，由于陀螺儀的定軸性，自轉軸將相對底座傾斜，相空間轉動時，由于陀螺儀的定軸性，自轉軸將相對底座傾斜，相應的敏感電極的電容量變化，經再平衡電子線路轉換為控制電壓，應的敏感電極的電容量變化，經再平衡電子線路轉換為控制電壓，并加到繞正交軸即并加到繞正交軸即y軸給出力矩的施力電極上。所產生

40、的再平衡軸給出力矩的施力電極上。所產生的再平衡力矩力矩My使自轉軸繞使自轉軸繞x軸相對慣性空間進動，且進動方向與殼體轉軸相對慣性空間進動，且進動方向與殼體轉動方向相同，即自轉軸始終處于殼體零位附近工作。在穩(wěn)態(tài)時有動方向相同，即自轉軸始終處于殼體零位附近工作。在穩(wěn)態(tài)時有如下關系如下關系 ，式中，式中H是轉子角動量。同理，還有另一關是轉子角動量。同理，還有另一關系系 。由于穩(wěn)態(tài)時再平衡回路的控制電壓與輸入角速率。由于穩(wěn)態(tài)時再平衡回路的控制電壓與輸入角速率成正比，因此可以測出殼體相對慣性空間的轉動，而且具有測量成正比，因此可以測出殼體相對慣性空間的轉動，而且具有測量雙軸速率的功能。雙軸速率的功能。x

41、yHMyxHM 15.5 MEMS15.5 MEMS傳感器的信號調理傳感器的信號調理 本節(jié)將討論與微傳感器接口電路相關的一些信號調理電路，共分三部本節(jié)將討論與微傳感器接口電路相關的一些信號調理電路，共分三部分，分別對應于三種常用的讀出方式：壓阻式、電容式和諧振式。分，分別對應于三種常用的讀出方式：壓阻式、電容式和諧振式。 15.5.1 MEMS15.5.1 MEMS壓阻式傳感器的信號調理壓阻式傳感器的信號調理 1溫度補償溫度補償 材料的電阻的計算公式如下：材料的電阻的計算公式如下： 由應力引起的電阻變化為：由應力引起的電阻變化為： 由于電阻率和壓阻系數都和溫度相關，溫度降低，電阻率增加，因此，

42、由于電阻率和壓阻系數都和溫度相關，溫度降低，電阻率增加，因此，壓阻式傳感器必須進行溫度補償才能用。溫度對單晶硅的電阻率影響尤其壓阻式傳感器必須進行溫度補償才能用。溫度對單晶硅的電阻率影響尤其大，但是單晶應變片也有獨特的優(yōu)點，它在噪聲和漂移方面表現出較好的大，但是單晶應變片也有獨特的優(yōu)點，它在噪聲和漂移方面表現出較好的性能。由多晶硅做成的應變片，它的電阻率增大可以通過適當選擇摻雜水性能。由多晶硅做成的應變片，它的電阻率增大可以通過適當選擇摻雜水平降低晶粒邊緣電阻率來補償。平降低晶粒邊緣電阻率來補償。lRA(12 )llttdREER 對于溫度補償來說，常用的方法是采用惠斯通電橋方法，對于溫度補償

43、來說，常用的方法是采用惠斯通電橋方法， 電橋輸出為：電橋輸出為： 通常，通常， ，輸出電壓值為零。當與被測對象相關的某一個電，輸出電壓值為零。當與被測對象相關的某一個電阻發(fā)生變化時，例如，阻發(fā)生變化時，例如， 將各個電阻值代入式，電橋的輸出電壓為將各個電阻值代入式，電橋的輸出電壓為14232413()()outR RR RVVRRRR1234RRRRR4RRR42o u tRRVVRR 輸出電壓與電阻的變化為輸出電壓與電阻的變化為 可見，輸出電壓與電阻的變化可見，輸出電壓與電阻的變化 近似成線性關系。當電阻變化大時，由近似成線性關系。當電阻變化大時，由于式中，分母中帶有于式中，分母中帶有 ，因

44、此電橋輸出為非線性。為了改善非線性，可以采，因此電橋輸出為非線性。為了改善非線性，可以采用電流源代替電壓源。圖是電流源代替電壓源的一個例子。例中，采用兩個用電流源代替電壓源。圖是電流源代替電壓源的一個例子。例中，采用兩個電阻與被測對象相關的方案，即電阻與被測對象相關的方案，即 及及 ，運算放大器控，運算放大器控制加在電橋輸入端的電壓，電橋電流為制加在電橋輸入端的電壓，電橋電流為 ，則電橋輸出電壓為，則電橋輸出電壓為 比較可以看出，電路輸出變?yōu)榫€性，而且靈敏度提高了比較可以看出，電路輸出變?yōu)榫€性，而且靈敏度提高了2倍。倍。 14outRVVRRR23RRR14RRRR/biassIVR22SRR

45、VIVR 如果采用四個電阻與被測對象相關，如圖所示，兩個應變片電阻隨被測如果采用四個電阻與被測對象相關，如圖所示，兩個應變片電阻隨被測對象增加，另外兩個應變片電阻隨被測對象減小，則電橋輸出電壓為對象增加，另外兩個應變片電阻隨被測對象減小，則電橋輸出電壓為 可見，與單臂電橋相比，靈敏度提高了可見，與單臂電橋相比，靈敏度提高了4倍。倍。 RVR IVR 2電橋輸出電壓的放大電橋輸出電壓的放大 電橋輸出電壓正比于電阻的相對變化，電阻的變化通常在電橋輸出電壓正比于電阻的相對變化，電阻的變化通常在0.01%0.1%量級，所以電橋的輸出電壓很小，需要接放大電路。圖是一種簡單的差分放量級，所以電橋的輸出電壓

46、很小，需要接放大電路。圖是一種簡單的差分放大電路，可用于此目的。此電路的特點是差分輸入電壓被放大，共模輸入電大電路，可用于此目的。此電路的特點是差分輸入電壓被放大，共模輸入電壓被抑制。壓被抑制。 運算放大器的同相輸入端（運算放大器的同相輸入端（+）與反相輸入端（）與反相輸入端（-）電壓）電壓 由于增益高，兩個輸入端的電壓實際上被強制在相等的水平，即由于增益高，兩個輸入端的電壓實際上被強制在相等的水平，即434/()diffVRRRV212/() ()outdiffoutVVRRRVV434/()diffRRRV212/() ()outdiffoutVRRRVV 所以所以 由于差分輸入電壓由于差

47、分輸入電壓 共模輸入電壓共模輸入電壓 得得 2124342121/()/()1 /()outdiffdiffVRRRVRRRVRRR d iffd iffd iffVVV()/2commondiffdiffVVV2424212341234121()0.5()1outcommomdiffRRRRVVVRRRRRRRRRRR 當當 時，輸出電壓與共模輸入電壓無關，只與差分輸入時，輸出電壓與共模輸入電壓無關，只與差分輸入電壓有關，可簡化為電壓有關，可簡化為 可見，電壓增益由決定，共模抑制的效果取決于電阻匹配的程度。但是可見，電壓增益由決定，共模抑制的效果取決于電阻匹配的程度。但是圖中的電路輸入阻抗非

48、常低，這將導致電橋輸出的降低。所以給出另一種差圖中的電路輸入阻抗非常低，這將導致電橋輸出的降低。所以給出另一種差分放大電路，常稱為儀表放大器。分放大電路，常稱為儀表放大器。 假定沒有電流流入最前端的兩個放大器輸入端，則假定沒有電流流入最前端的兩個放大器輸入端，則 通常通常 ，如果，如果 ，則整個電路的輸出為，則整個電路的輸出為2143/RRRR21222121/()1/()outdiffdiffRRRRVVVRRRR 5756756766()()1diffxdiffVRRVIRRRRRRVRR57RR2143/RRRR52612(1) ()outdiffRRVVRR 3抑制噪聲和失調抑制噪聲和

49、失調 由于由于MEMS壓阻式傳感器的電阻變化非常小，放大器所引入的噪聲壓阻式傳感器的電阻變化非常小，放大器所引入的噪聲和失調電壓很容易淹沒傳感器的信號，尤其是緩慢變化的失調電壓很難和失調電壓很容易淹沒傳感器的信號，尤其是緩慢變化的失調電壓很難與傳感器的信號分離。采取的辦法通常是：輸入電壓圍繞一個載頻與傳感器的信號分離。采取的辦法通常是：輸入電壓圍繞一個載頻fc被被調制，調制后的交流信號被放大器放大后再被解調。圖給出了一個例子。調制，調制后的交流信號被放大器放大后再被解調。圖給出了一個例子。例中的輸入電壓的調制用一個開關表示，產生出一個幅度等于輸入電壓例中的輸入電壓的調制用一個開關表示，產生出一

50、個幅度等于輸入電壓的方波，方波信號被放大后再通過一個乘法器解調，這樣，可以將低頻的方波，方波信號被放大后再通過一個乘法器解調，這樣，可以將低頻噪聲和失調有效地濾除。噪聲和失調有效地濾除。 15.5.2 MEMS 15.5.2 MEMS電容式傳感器的信號調理電容式傳感器的信號調理 對對MEMSMEMS電容式傳感器的信號調理，通常采用兩種方法。方法一，電容式傳感器的信號調理，通常采用兩種方法。方法一，是將電容變化轉變成頻率變化。例如轉變成正弦振蕩、張弛振蕩等。此是將電容變化轉變成頻率變化。例如轉變成正弦振蕩、張弛振蕩等。此種方法的優(yōu)點是頻率信號易于被數字電路接納，而且可以實現長距離的種方法的優(yōu)點是

51、頻率信號易于被數字電路接納，而且可以實現長距離的無損傳輸。方法二，是電容連接到電橋中，測量其變化。這種方法較簡無損傳輸。方法二，是電容連接到電橋中，測量其變化。這種方法較簡單，因此要將傳感器與信號調理電路集成到同一個芯片上時，常采用此單，因此要將傳感器與信號調理電路集成到同一個芯片上時，常采用此法。法。 1電容電容頻率變換頻率變換 電容電容頻率變換電路的輸出是頻率，輸入是電容，電容變化決定頻頻率變換電路的輸出是頻率，輸入是電容，電容變化決定頻率變化。率變化。 圖中的電路由一個施密特觸發(fā)器，一個電容和兩個電流源構成。電圖中的電路由一個施密特觸發(fā)器，一個電容和兩個電流源構成。電容施密特觸發(fā)器的兩個

52、電平之間充放電，振蕩周期由上升和下降時間之容施密特觸發(fā)器的兩個電平之間充放電，振蕩周期由上升和下降時間之和計算和計算2HL1HLTTTC(VV )/I +C(VV )/I 總升降 采用施密特觸發(fā)器構成電容采用施密特觸發(fā)器構成電容頻率變換的缺點是施密特觸發(fā)器輸入頻率變換的缺點是施密特觸發(fā)器輸入端對地的寄生電容會影響震蕩器的頻率。這個寄生電容可能會遠遠超過傳端對地的寄生電容會影響震蕩器的頻率。這個寄生電容可能會遠遠超過傳感器電容。所以，當傳感器不接地時，可以選擇圖所示的消除寄生電容影感器電容。所以，當傳感器不接地時，可以選擇圖所示的消除寄生電容影響的電容響的電容頻率變換電路。圖中，傳感器的一側由電

53、壓源頻率變換電路。圖中，傳感器的一側由電壓源Vhigh和和Vlow驅驅動，通過電壓源驅動，有效地消除了寄生電容動，通過電壓源驅動，有效地消除了寄生電容Cp1的影響。傳感器的另一側的影響。傳感器的另一側連接一個比較器，比較器總是在輸入端處在同一個電壓電平時開關，這樣連接一個比較器，比較器總是在輸入端處在同一個電壓電平時開關，這樣寄生電容寄生電容Cp2兩端的電壓總是相等的，因此，雖然傳感器和兩端的電壓總是相等的，因此，雖然傳感器和Cp2構成的電容構成的電容分壓器會影響比較器輸入斷的電壓幅度，但是分壓器會影響比較器輸入斷的電壓幅度，但是Cp2卻不會對震蕩頻率有直接卻不會對震蕩頻率有直接的影響。的影響。 2阻抗電橋阻抗電橋 將電容接入橋路與電阻接入橋路相同，區(qū)別是需要采用交流電源電壓。將電容接入橋路與電阻接入橋路相同，區(qū)別是需要采用交流電源電壓。圖中給出了一種對稱驅動的電容電壓分配器。圖中給出了一種對稱驅動的電容電壓分配器。 輸入電壓可以是方波，也可以是正弦波。輸入電壓可以是方波，也可以是正弦波。Cp是寄生電容，是寄生電容，R為寄生電為寄生電阻，阻， ， 。當忽略寄生電容和寄生電阻的影響時，輸出。當忽略寄生電容和寄生電阻的影響時