Сочинение на тему Принципы работы акселерометров MEMS

Tunneling-Accs, как правило, состоят из металлического наконечника, соединенного с контрольной массой, которая имеет несколько нанометровых расстояний до противоэлектрода, и принцип работы заключается в туннелировании квантовых электронов. Чтобы активировать датчик, необходимо приложить небольшое напряжение смещения (около 100 мВ), и это напряжение создает небольшой ток между наконечником с металлическим покрытием и противоэлектродом. Когда ускорение применяется, движение пробной массы вызовет смещение наконечника на ангстрем, которое вызывает изменение тока в туннеле. Целью этого метода является поддержание постоянного тока в туннеле (1 нА) во времени, поэтому прилагаются силы обратной связи, чтобы вернуть массу в исходное положение, в результате величина ускорения может быть измерена с помощью замкнутого контура. схема детектора и с помощью изменения напряжения отклонения. Конструкция и изготовление Tunnel-Accs варьируются, так как они были представлены как Cantilevered, Lateral и Bulk-micromachined. Туннельные акселерометры имеют низкое напряжение возбуждения, поддерживаемое широкой полосой частот, а также более высокую чувствительность по сравнению с емкостным.

С другой стороны, со ссылкой на наноразмерный разрыв, они имеют сложный процесс изготовления и более высокие производственные затраты.

Пьезоэлектрический акселерометр

Этот вид доступа. воспользоваться преимуществом пьезоэлектрического эффекта материалов. Пьезоэлектрический в соотв. как показано на рис.4. Обычно состоит из пьезоэлектрического материала, который обычно представляет собой тонкий ZnO или PZT, который зажат двумя электродами и нанесен на кремниевую консольную балку. [8] Балка крепится к раме с одной стороны, а с другой стороны имеется контрольная масса. При наличии ускорения смещение массы вызывает деформацию балки, точно так же пьезо-материал испытывает сжатие или растяжение. Затем можно измерить ускорение, рассчитав возникшую разность потенциалов. PZT имеет более высокую пьезоэлектрическую постоянную и чувствительность, но он не может быть интегрирован или миниатюризован. С другой стороны, ZnO имеет более низкую чувствительность, но интегрируемую, дополнительно новую технологическую совместимость, и его чувствительность может быть улучшена путем миниатюризации. Всего пьезоэлектрических АКЦ. Имеет высокую чувствительность и сравнивает с емкостной, меньшей потребляемой мощностью и температурной зависимостью, а также более высокой пропускной способностью.

Пьезорезистивный акселерометр

Первый MEMS-акселерометр был пьезорезистивным и был разработан еще в 1979 году [5]. Прошло двадцать лет, прежде чем первый MEMS-акселерометр был выпущен на рынок автомобильной компанией для своих систем безопасности. Основа этого метода основана на изменении удельного сопротивления материала под напряжением. В ранних конструкциях пьезорезистивного типа [9], в которых содержится контрольная масса и поддерживается неподвижной рамой, более того, пьезорезисторы располагались в специальном месте балки, где происходит максимальная деформация и напряжение (обычно края) и считывание Схема их основана на принципе моста Уитстона. Ускорение и смещение контрольной массы вызовут деформацию луча, и, следовательно, будет изменяться удельное сопротивление пьезорезисторов, изменение сопротивления приведет к изменению выходного напряжения. Пьезорезистивные акселерометры очень надежны и просты в изготовлении, но интеграция не проста. К сведению, почти все статьи направлены на повышение производительности и чувствительности путем изменения геометрического дизайна и механизма восприятия или с использованием различных технологий изготовления. Например, добавление нескольких пучков вместо изгиба или использование асимметрично защеленного кантилевера или ионного травления резисторов на пучке вместо термодиффузии. В некоторых работах боковое движение массы также сфабриковано. Кроме того, длина изгиба также имеет значение, чем дольше будет изгибаться, тем ниже резонансная частота и, следовательно, более низкая полоса пропускания. [9] Как правило, для защиты датчика от высокого G или мгновенного удара верхняя и нижняя части датчика покрыты стеклом почти в большинстве случаев.

Емкостный акселерометр

Емкостный доступ – один из самых известных акселерометров в MEMS-датчиках, серия ADXL – один из самых успешных акселерометров на рынке MEMS. [10] Принцип их работы основан на изменении емкости. Контрольная масса расположена таким образом, что имеет узкий зазор с неподвижными проводящими электродами, поэтому смещение массы будет вызывать изменение расстояния между массой и электродами, следовательно, емкость будет варьироваться. Это изменение затем может быть передано в цифровой сигнал с помощью схемы считывания. Емкостные конструкции можно разделить на боковые, вертикальные или навесные. [1] Боковые акселерометры обычно состоят из поверхностных микромашинных фиксирующих пальцев, а также массы, которая сформирована чувствительными пальцами, измеряя ускорение в плоскости по оси xy, вертикальная структура обычно является объемной микрообработкой и имеет большую массу, которая расположена между двумя фиксирующими электродами, таким образом, они имеют лучшую чувствительность и вне плоскости восприятия по оси Z. В акселерометрах с поперечной пилой используются торсионные балки для подвешивания массы и утяжеления одной стороны конструкции, следовательно, так же, как и у вертикальных датчиков поверхностного восприятия. Выдающимися преимуществами емкостных аккумуляторов являются высокая чувствительность и чувствительность к постоянному току, простая и легкая для массового производства структура, высокая линейность, низкое рассеивание мощности и простота интеграции.

Единственным недостатком емкостных акселерометров является то, что они находятся во власти электромагнитных помех (EMI), которые требуют специальной упаковки. Рис.6 представляет собой интегрированный 3-осевой акселерометр с двумя плоскими структурами для оси x и z и одним неплоскостным устройством для оси z, который соединен друг с другом поликремниевыми соединителями. Изготовление обоих изображено на рис.7. III. Сравнение Существует множество датчиков во всех вышеупомянутых механизмах трансдукции в различном динамическом диапазоне (от микрограндж до сотен килограмм) и чувствительности, а также чувствительности постоянного тока или линейности. Поэтому сравнить этот механизм непросто. Для сравнения было выбрано шесть датчиков, которые имеют близкий динамический диапазон, и их рабочие характеристики приведены в таблице. В этой статье обсуждались шесть различных механизмов трансдукции акселерометра, а также их технические характеристики с кратким описанием методов изготовления. Стоит отметить, что в основном каждый тип акселерометров имеет свои плюсы и минусы, которые делают их применимыми для специального и различного применения.

Например, устойчивость к электромагнитным помехам оптических датчиков для специального применения с электромагнитными полями или высокой чувствительностью туннельных датчиков для ракетной навигации и хорошей ударопрочностью оптических датчиков в приложениях с высоким g, простое изготовление пьезорезистивных датчиков для массового производства и также низкое энергопотребление пьезоэлектрических датчиков. То, что делает емкостные датчики разными и ставит их на первое место на рынке, заключается в том, что они обладают всеми вышеупомянутыми преимуществами, которые делают их пригодными для широкого спектра различных применений …