当前课程知识点:MEMS与微系统 > 第四章 微型传感器Ⅲ—惯性传感器 > 第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述 > 惯性传感器与加速度传感器概述
各位同学大家好
今天我们继续来学习
传感器的第三部分内容 惯性传感器
惯性传感器
是一种利用惯性力进行测量的传感器
我们都有经验坐在汽车上
当汽车快速加速的时候我们身体会向后倾
那么当它快速减速的时候
我们身体又会向前倾
这就是一种惯性力的现象
那么惯性传感器就是利用这样的一种现象
实现的传感器测量
它的一个基本原理是
利用惯性力使传感器的微结构
产生变形或者频率上的变化
而进一步通过敏感器件
来检测它的变形或者频率的变化
从而实现对惯性力的测量
那么惯性力
对应着加速度 角速度以及冲击振动等等
所以我们通过惯性力传感器
能够实现加速度的测量
能够实现陀螺的测量
振动 冲击和倾角的测量
这里边最常用的是
加速度传感器和角速度传感器
也就是我们所说的陀螺
利用惯性力产生的频率或者是形状的变化
我们需要一个敏感元件把它测量出来
常用的包括压阻 压电和电容等
不同的方式采用惯性力的传感器
能够测量一个运动物体
它的动作 姿态以及它的方位
因此在汽车 消费电子 工业控制
航空航天和武器等很多领域里
有非常广泛的应用
目前陀螺和加速度传感器
是销售额最大的两种MEMS的产品
那么生产这些陀螺和加速度传感器的公司
主要包括Bosch ST ADI Murata等等
那么这些公司他们生产的传感器
具有不同的性质
应用领域也各不相同
包括消费电子 汽车
和高端的航空航天及武器应用等
从这个图我们能够看出来
近几年加速度传感器
和陀螺的增长速度并不是很快
但是由加速度传感器和陀螺组合在一起的
惯性组合近年来却发展速度非常快
下面我们首先来学习加速度传感器
加速度传感器
是一种测量运动物体直线加速度的传感器
它主要是测量直线位移的二次时间导数
也就是加速度
那么对于不同的应用
所测量的加速度的大小和分辨率精度等等
要求各不相同
从这个图我们能看出来对于智能弹药等应用
那么需要较大的一个测量范围
通常来讲在10的三次方
到10的四次方左右的重力加速度
而对于空间应用或者是地震波的测量
那么又需要一个较小的加速度范围
一般在10的负四
到10的负六次方的重力加速度
所以这个跨度是非常大的
那么对于一个加速度传感器
很难把整个测量范围都跨越到
因此不同的应用
需要具有不同特性的加速度传感器
这个图给大家展示的是
加速度传感器在我们日常生活
和工业生产等领域的不同应用
从汽车电子到水陆空天的交通
以及建筑 消费电子等不同的领域
一个加速度传感器
它所利用的测量原理就是牛顿第二定律
我们都知道牛顿第二定律的表达式是
F等于m乘以a
也就是力等于质量乘以加速度
为了获得一定的加速度
那么我们必须具有相应的力
因此 如果能够将一个弹性支撑结构
支撑一个质量块
那么在质量块
受到加速度作用产生惯性力的时候
惯性力就会带动弹性结构发生变形
从而使弹性结构上的检测敏感元件
比如说压阻产生电信号的输出
因此多数加速度传感器
都采用弹性梁支撑质量块的结构
它的工作过程是这样的
在加速度的作用下
质量块m受到惯性力的作用
这个惯性力的方向与加速度的方向相反
惯性力的作用使弹性结构产生了变形
或者频率上的变化
变形或者频率的变化
进一步被弹性结构上的测量或者敏感元件
所感知产生电信号的变化
完成加速度的测量
我们看这张图
这是一个典型的加速度传感器结构
这儿有一个弹性支撑梁
支撑着一个质量块
在弹性梁的末端
通过注入的方式制造一个压阻
那么当产生惯性力的时候
质量块会沿着上下方向进行运动
运动的时候使弹性梁发生弯曲
进一步改变了压阻的阻值大小
那么我们通过测量压阻阻值的大小
就获得了加速度的大小
下面这一张图
是模拟的一个质量块
在惯性力作用下产生的位移
我们能够清晰的看到
质量块已经脱离了原来框架的表面
那么弹性梁发生了明显的弯曲
对于加速度传感器
弹性梁的作用是至关重要的
它一方面支撑着质量块发生变形
另一方面
也由产生的变形引起敏感元件发生变化
通常来讲一个弹性梁需要抑制
与被测加速度垂直方向的一些影响
比如说如果我想测量垂直方向的加速度
那么
一定要抑制水平方向加速度所产生的影响
这样对弹性梁的设计就产生了一些要求
比如说希望垂直方向尽量灵敏
那么垂直方向它的弹性刚度系数较小
水平方向为了抑制交叉轴的干扰
它的弹性刚度系数就需要尽量大
在这样的一个目标驱动下
弹性梁有很多不同的组合
我们来看这个图
可以在单端支撑
也可以双端支撑
或者四角支撑以及四角和四边支撑等等
那么不同的方式具有不同的特性
对交叉轴的抑制特点也是各不相同的
我们来看这是两个仿真的图
从图中可以明显的看到
对于相同的加速度作用的时候
两个梁支撑的质量块
它的运动程度要比
四个梁支撑的质量块要更大
但是对于两个梁支撑的质量块
它抑制水平方向偏转的能力就会弱
因此对水平方向的加速度也会敏感
这是我们在实现器件设计的时候
所不希望的
惯性力使质量块产生了位移
质量块进一步带动弹性结构发生弯曲
或者谐振频率的变化
那么为了测量弯曲和谐振频率的变化
我们需要不同的敏感器件
通常的敏感器件包括压阻 电容 压电
以及遂穿 热传导 电磁等等
它的检测方式很多
那么最常用的主要是压阻和电容
我们把压阻和电容检测的一些优点和缺点
画在这个图里进行比较
就能看出每种不同的检测方式
有各自优点或者缺点
那么需要根据实际应用的目标进行选择
一个加速度传感器是一个复杂的动态系统
那么我们需要对它
进行建模或者仿真的设计和优化
我们先来看一下简单的静态模型和动态模型
首先我们来看加速度传感器的灵敏度
所谓的灵敏度是指每单位加速度的输入
会产生多大的电信号输出
那么由于加速度
是一个由质量块产生弹性梁的变形
进一步由弹性梁的变形
带动敏感器件电信号输出两个过程组成的
因此灵敏度我们可以把它分解为
两个部分进行分析
第一部分是
单位的加速度会产生多大的质量块位移
我们可以用S1来表示
那么它可以表示为
产生的位移与加速度的比值
我们进一步可以把位移和加速度表示为
整个弹性系统的其它参数
第二部分是加速度传感器的电学灵敏度
也就是每产生一个位移
会有多大的电信号输出
那么我们可以把它表示为
一个电压与变形的比值
这样我们把S1和S2乘积到一起以后
就得到了整个加速度传感器的灵敏度
通常一个加速度传感器
可以把它简化为这张图所示的
一个质量 弹簧和阻尼的二阶动态系统
那么它的静态和动态特性
都可以采用这样的一个系统进行分解
我们可以把梁的具体结构进行建模以后
将其等效为弹簧刚度系数K和阻尼
加速度传感器一个非常重要的性能指标
就是器件的噪声
那么器件的噪声包括
电学系统的噪声和力学系统的噪声
力学系统的噪声主要是
由质量块自己的热运动所产生的
热力学的均分定理告诉我们
每一个能量储备模态在热平衡的状态时
它都具有一个热能
这个热能都是相等的
等于二分之一KB乘以T
那么对于这样的一个体系我们可以知道
这个热能的存在
会导致质量块在分子水平上产生布朗热运动
当布朗热运动所产生的振幅的大小
与外界加速度所产生的
振幅的大小相等的时候
我们就没办法分辨
到底是由于布朗热运动所产生的变形
还是由于外部加速度所产生的变形
因此由布朗热运动所决定的变形大小
就决定了这个传感器
能够分辨的最小加速度的幅值
因此我们可以利用这样的一个关系
来把热力学的噪声表示出来
首先对于这样的一个能量
二分之一KB乘以T
那么它在具有K的刚度系数
这样的一个弹性系统中所具有的能量
与二分之一K
和振幅的统计平均值的平方有关
因此 我们可以表示成这样的一个表达式
进一步我们可以把布朗运动产生的力的大小
表示为这样的一个表达式
那么利用这两个表达式
我们就可以知道
布朗力能够驱动的弹性结构
和质量块产生的变形大小
这个变形大小我们可以进一步
再把它表示成为一个加速度大小
就是这个公式给大家看到的一个结果
从这个公式我们可以看出来
对于布朗热运动所产生的等效的加速度噪声
246
00:11:09 ,360 --> 00:11:10,800
是由系统的参数决定的
因此 我们所测量的加速度
必须要大于这个系统的噪声
在一般应用中
我们需要所被测的加速度大小
要超过系统噪声的三倍以上
才能够得到一个可信的测量值
下面我们来看加速度传感器的动态响应系统
我们把加速度传感器继续等效为一个质量
弹簧和阻尼的二阶系统
那么这个二阶系统里边的每一个参数
可以从加速度传感器的具体结构获得
在获得结构参数的前提下
我们能够把二阶系统的运动方程
表示为一个对时间的二阶导数
这个方程在不同的领域有深入的研究
我们在这里就不深入的去讲解了
对于一个质量 弹簧和阻尼的二阶系统
它的典型幅频和相频特性是
与阻尼特性紧密相关的
我们看这张图如果系统处于一个欠阻尼状态
那么它的振幅会随着频率的增加快速的衰减
如果系统处于一个过阻尼的状态
那么它的幅值
会随着频率的增加而快速的衰减
同时它的相位也会有一个较大的滞后
如果系统处于一个欠阻尼状态
那么它会在谐振频率点
产生一个较大的峰值输出
同时相位的滞后也会逐渐减小
因此
对于加速度传感器是一个限制阻尼的过程
既不能让阻尼过高
也不能让阻尼过低
过高和过低的阻尼
都会对传感器的性能产生不同的影响
-第1小节 MEMS的定义
--MEMS的定义
-第1小节 MEMS的定义--作业
-第2小节 MEMS的应用领域
-第2小节 MEMS的应用领域--作业
-第3小节 MEMS的发展
--MSMS的发展
-第3小节 MEMS的发展--作业
-第4小节 MEMS的发展(续)
-第4小节 MEMS的发展(续)--作业
-第1小节 应力和应变
--应力与应变
-第1小节 应力和应变--作业
-第2小节 弹性梁
--弹性梁
-第2小节 弹性梁--作业
-第3小节 弹性梁(续)
--弹性梁(续)
-第3小节 弹性梁(续)--作业
-第4小节 薄板与流体的基本概念
-第4小节 薄板与流体的基本概念--作业
-第5小节 流体的基本概念(续)
-第5小节 流体的基本概念(续)--作业
-第6小节 静电力
--静电力
-第6小节 静电力--作业
-第7小节 尺寸效应
--尺寸效应
-第7小节 尺寸效应--作业
-第1小节 MEMS光刻技术
--MEMS光刻技术
-第1小节 MEMS光刻技术--作业
-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀
-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀--作业
-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀
-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀--作业
-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)
-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)--作业
-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀
-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀--作业
-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀
-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀--作业
-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)
-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)--作业
-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀
-- 体微加工技术—稳态深刻蚀
-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀--作业
-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用
-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用--作业
-第1小节 表面微加工技术概述
-- 表面微加工技术概述
-第1小节 表面微加工技术概述--作业
-第2小节 表面微加工技术的几个问题
-第2小节 表面微加工技术的几个问题--作业
-第3小节 表面微加工代工工艺
-第3小节 表面微加工代工工艺--作业
-第4小节 表面微加工的应用
--表面微加工的应用
-第4小节 表面微加工的应用--作业
-第5小节 厚结构层技术
-- 厚结构层技术
-第5小节 厚结构层技术--作业
-第1小节 键合概述与直接键合
-- 键合概述与直接键合
-第1小节 键合概述与直接键合--作业
-第2小节 阳极键合与聚合物键合
-第2小节 阳极键合与聚合物键合--作业
-第3小节 金属键合与键合设备
-- 金属键合与键合设备
-第3小节 金属键合与键合设备--作业
-第1小节 工艺集成
-- 工艺集成
-第1小节 工艺集成--作业
-第2小节 系统集成
--系统集成
-第2小节 系统集成--作业
-第3小节 单芯片集成与多芯片集成
-第3小节 单芯片集成与多芯片集成--作业
-第4小节 三维集成
--三维集成
-第4小节 三维集成--作业
-第5小节 MEMS封装
--MEMS封装
-第5小节 MEMS封装--作业
-第6小节 MEMS封装(续)
-第6小节 MEMS封装(续)--作业
-第1小节 概述
--概述
-第1小节 概述--作业
-第2小节 压阻传感器
--压阻传感器
-第2小节 压阻传感器--作业
-第3小节 电容传感器与压电传感器
-第3小节 电容传感器与压电传感器--作业
-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器
-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器--作业
-第1小节 压力传感器
--压力传感器
-第1小节 压力传感器--作业
-第2小节 压阻式压力传感器
-- 压阻式压力传感器
-第2小节 压阻式压力传感器--作业
-第3小节 压阻式压力传感器(续)
-第3小节 压阻式压力传感器(续)--作业
-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器
-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器--作业
-第5小节 硅微麦克风
--硅微麦克风
-第5小节 硅微麦克风--作业
-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述
-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述--作业
-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器
-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器--作业
-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器
-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器--作业
-第4小节 微机械陀螺概述
--微机械陀螺概述
-第4小节 微机械陀螺概述--作业
-第5小节 典型微机械陀螺
--典型微机械陀螺
-第5小节 典型微机械陀螺--作业
-第6小节 典型微机械陀螺(续)
-第6小节 典型微机械陀螺(续)--作业
-第7小节 模态解耦合
--模态解耦合
-第7小节 模态解耦合--作业
-第1小节 执行器概述
--执行器概述
-第1小节 执行器概述--作业
-第2小节 静电执行器—平板电容执行器
-第2小节 静电执行器—平板电容执行器--作业
-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)
-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)--作业
-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器
-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器--作业
-第5小节 热执行器
--热执行器
-第5小节 热执行器--作业
-第6小节 压电执行器和磁执行器
-- 压电执行器和磁执行器
-第6小节 压电执行器和磁执行器--作业
-第1小节 RF MEMS概述
-- RF MEMS概述
-第1小节 RF MEMS概述--作业
-第2小节 MEMS开关I
--MEMS开关I
-第2小节 MEMS开关I--作业
-第3小节 MEMS开关II
--MEMS开关II
-第4小节 MEMS开关III
-第4小节 MEMS开关III--作业
-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器
-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器--作业
-第6小节 MEMS谐振器—板式谐振器
-第7小节 MEMS谐振器的制造
-第7小节 MEMS谐振器的制造--作业
-第1小节 光学MEMS概述
-- 光学MEMS概述
-第1小节 光学MEMS概述--作业
-第2小节 MEMS光开关I
--MEMS光开关I
-第2小节 MEMS光开关I--作业
-第3小节 MEMS光开关II
-- MEMS光开关II
-第3小节 MEMS光开关II--作业
-第4小节 影像再现I—反射器件
-- 影像再现I—反射器件
-第4小节 影像再现I—反射器件--作业
-第5小节 影像再现II—衍射器件
-第5小节 影像再现II—衍射器件--作业
-第6小节 影像再现III—干涉器件
-第6小节 影像再现III—干涉器件--作业
-第1小节 概述
-- 概述
-第1小节 概述--作业
-第2小节 软光刻技术
--软光刻技术
-第2小节 软光刻技术--作业
-第3小节 微流体输运
--微流体输运
-第3小节 微流体输运--作业
-第4小节 微流体输运(续)
--微流体输运(续)
-第4小节 微流体输运(续)--作业
-第5小节 试样处理
--试样处理
-第5小节 试样处理--作业
-第6小节 试样处理(续)
--试样处理(续)
-第7小节 检测技术
--检测技术
-第8小节 微流体应用
--微流体应用
-第8小节 微流体应用--作业
-第9小节 微流体应用(续)
--微流体应用(续)
-第9小节 微流体应用(续)--作业
-第1小节 概述
--概述
-第1小节 概述--作业
-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器
-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器--作业
-第3小节 可穿戴与可植入微系统
-第3小节 可穿戴与可植入微系统--作业