MEMS概念设计（精选10篇）
MEMS概念设计 篇1
摘要：由于传统机械结构设计的方法的种种缺点, 本文提出了一种以系统级分析方法的方法实现MEMS光学开关的快速设计与优化。通过采用Coventorware软件ARCHITECT模块建立MEMS光学开关模型, 分析了多物理耦合场下MEMS光学开关的动态响应特性, 得到位移和电压大小的对应关系曲线, 以及固有频率分析曲线。结合微机械工艺要求, 通过系统级仿真, 大大缩短了设计周期, 同时提高机械结构的合理性。
关键词：系统级仿真,微机电系统,频率分析,直流分析
0 引言
MEMS光学开光以微机械制造工艺与电子技术为依托, 作为一种通断光路的微小器件。由于其微型化、质量轻、损耗低、成本小、集成度高、可靠性好等一系列显著特点, 被广泛使用于通讯网络, 电子仪器, 医疗器械以及军事领域
目前广泛使用的MEMS光学微镜, 方向可控性多为二维, 虽技术成熟, 但其可控方向为平面, 大大局限了MEMS光学的使用范围。而目前的3维MEMS光学开关, 以金属微工艺为依托, 成本较高而无法普及, 本文针对传统MEMS光学开关的诸多不足, 提出一种以硅加工工艺为依托, 同时能实现空间扭转的新型三维MEMS光学开关, 通过对此种光学开关物理基础的必要描述, 依据动态分析与固有频率分析, 对光学开关进行结构优化。
1 基本原理
在微环境下, 由于尺度效应, 表面力对硅材料微机械的影响远大于体积力。作者所讨论MEMS光学开关采用了如图1所示二轴单镜片结构, 微镜由垂直梁支撑, 垂直梁又由外围支撑环支撑, 而外围支撑环由两水平梁固定, 微镜覆盖在中间极板上, 极板作为同时作为活动电极, 与固定在基底电极构成一对电极板, 当在两极板间施加直流偏压时, 会在微镜与基底之间及其周围形成静电场。微镜在静电力矩的作用下绕扭转梁向基底电极方向发生转动。通过控制静电力矩的大小来控制微镜的扭转角度, 进而达到转换光路的作用, 在MEMS设计过程中, 以静电驱动方式驱动, 能简化结构, 降低能耗, 缩减成本。简化后的MEMS光学开关的力学模型如图1所示, 设时间t=0时, 开关的上极板不动, 上下极板处于平衡状态, , 电压V0=0间距H1=h, t>0时, 当电压V (t) , Fe作用时, 光学开关的支撑梁受力变形, 上极板的位移Δh=h (t) , 达到新的平衡。支撑梁产生的弹性恢复力Fk=-kx和下极板所施加的静电Fe如下:
得到力平衡状态方程和吸合电压:
Vpi为吸合电压, x为下极板移动距离, k为支撑梁固有弹性系数, A为下极板有效面积, V为偏置端电压, ε0为两极板介电常数, g0为初始距离。
2 MEMS光学开关的系统级模型
对于本文提出的新型MEMS光学开关来说, 硅工艺流程十分重要, 材料与工艺步骤的选择, 直接影响到光学开关的机械性能, 所以选择合适且低廉的硅工艺将对整个开关的设计有直接重要的影响, 利用Coventor Ware软件对MEMS光学开关进行工艺研究 (图1) 和系统级建模 (图2) , 获得光学开关的3D效果图 (图3) 所示。
系统级建模, 将MEMS光学开关的机械结构的弹簧阻尼系统等效成是电阻电感电容等一系列电学量, 与外围的实际电路连连成一体来进行系统仿真。
图3为光学开关的三D图, 机械板面及其支撑梁均为硅结构, 板面上端附有镜面材料, 起反光作用。
3 系统模型分析与优化
3.1 灵敏度分析
针对传统的机械机构设计优化过程中的较高的随意性与经验性的种种弊端, 系统级灵敏度分析较为有效的解决了这些问题, 图4即为各个机械尺寸的光学开关机械性能的影响
选择各个机械尺寸参数, 先给定一组参数, 镜面为380*380的正方形结构, 垂直梁为100um, 水平梁为200um, 外环为40um, 镜环间距为20um, 梁宽为13um。
由上表可知:梁宽改变0.2um可以引起固有频率1.57%的变化, 而横梁长改变2u, 可以引起固有频率1.39%的变化, 其他的尺寸对固有频率的影响皆不剧烈, 按经验估计, 通过改变梁宽来优化尺寸。
3.2 直流转移分析
梁宽的变化, 会直接影响光学开关的电压—位移效果
当给光学开关的四块电极板施加不同的电压, 电极板的位移 (图5) 会呈现如下态势
不同梁宽下的静电力—位移效果图如下, 由于静电力电压的位移效果在MEMS光学开关结构设计中十分重要。通过系统级模块进行直流电压转移分析, 曲线如图6所示。电极间隙为10μm。从图中结果可知, 当梁宽从10um到20um变化时, 电压-位移的变化大致都在最大位移允许范围内。
3.3 固有频率分析
由3.2的结论可知, 直流电压转移分析只是给出了电压位移的效果, 并未更近一步的选择出最优的梁宽尺寸。通过固有频率分析, 即通过系统级分析模块, 在不同梁宽条件下进行固有频率分析, 能有效选择出合适的梁宽。如图6。
计算结果显示, MEMS光学开关的X, Y轴固有频率与Z轴固有频率有较大的差距的机械结构, 抗震效果好, 且互相耦合的影响最小, 所以由图, 选择当梁宽为20um时效果最好, 此时, X轴固有频率为2.49k Hz, Y轴为3.88k Hz, Z轴为13.02k Hz。
4 结论
本文利用系统级设计方法进行3D硅光学开关的设计分析。利用Coventor Ware软件对光学开关的系统级仿真, 分析了分析静电-惯性多物理耦合场对光学开关机械性能的影响, 取得位移和电压的对应关系。利用系统级固有频率分析, 进一步选取出最优梁宽尺寸。本文所示的系统级分析快速.精确的优点, 将会在未来的微机械设计中获得越来越广泛的应用。
参考文献
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加速度计与MEMS明日之星 篇2
当然，这仍然只是MEMS进军更广泛市场的一个开端，打开这个市场的功臣即是加速度计(accelerometer)。在本文中将会对加速度计的技术及应用有更多的着墨，在此之前，我们要先来看看MEMS的领域及发展进程。
MEMS发展历程
MEMS的研发早在1970年代初期就已展开，最早期的研究包括石英晶体谐振器(QuartzResonator)和压力传感器等，接着有打印机的喷墨头(inkjet)及气相色谱仪(gaS chromategraphy)的研究；1975年后开始进行加速度计、数字光投影机、微流体(micro-fluidics)、MEMS振荡器、MEMS开关(Switch)的研究；1985年左右开始研究MEMS麦克风；薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)和陀螺仪(Gy－roscope)则是1990年代以后才开始的新领域。
MEMS的应用领域很广，举凡需要用到微机械感测与控制的应用，都有可能导入MEMS的芯片，这些领域涵盖了信息、通讯、消费电子、汽车、医疗、工业等等各个领域。目前广泛应用MEMS芯片的应用领域是汽车电子及信息电子，在汽车的操控性及安全性方面，已采用不少的MEMS传感器和制动器，其中又以加速度计居多，例如低重力加速度计可用于电子停车制动(EPB)、安全带预紧器(Pre-tensioner)、防侧翻、汽车动态控制(VDC)；中，高重力加速度计可用于悬吊系统、安全气囊；此外，MEMS陀螺仪(Gyroscope)则可用于惯性导航、防侧翻和VDC。
在信息应用方面，最常见的是打印机喷墨头的运用，这仍是目前MEMS芯片最大的应用领域之一。此外，加速度计也被用于保护硬盘，当硬盘不慎掉落时，传感器会立即传出警告信息，要求马达停止转动并将磁头从盘片表面上移开，因此不会有任何部件与硬盘机内的储存媒介相互碰触，如此一来即能保护行动设备在发生意外振动或摔落时，内部所存储的数据仍能安全无虞。另一个大幅成长的芯片则是微面镜，最成功的例子是TI所研发的数字光处理(DLP)技术，目前已普遍用于投影显示器当中。
加速度计的创新应用
在现阶段，消费性市场最有兴趣的，还是如何导入加速度计。加速度计的应用是令人期待的，举凡需要感测由于坠落、倾斜、移动、定位、撞击或振动产生微小变化的产品，都可以导入加速度计。因此，除了上述的防撞保护外，它还能提供操控手持设备的人机接口(Man Ma-chineInterface,MMI)以及许多有趣的增值功能：
创新MMI人机界面
Wii的遥控游戏功能，正是让大家印象最深刻的创新型态人机接口功能。它利用加速度计的动态感测功能来感测遥控器左，右倾斜、前／后倾斜、甚至上，下移动等动作，来转换为玩家在游戏中想操控的挥拍、击球、钓鱼、跳跃等动作，而能取代键盘以更直觉的享受到游戏的临场感，也能完成一些过去相当困难的细微操控动作。
不仅如此，3轴加速度计也能实现画面自动转向、图像浏览及目录选择等功能。以iPhone及iPod touch来说，其内建的加速度计通过测量重力向量，就能确定它是处于垂直状态还是水平状态，并将图像的显示位置自动转正，例如当用户在观赏照片、视讯或检视地图而以横向观看时，画面会自动旋转；当浏览网页或日录时，则可以再转回直向显示。
还有一些直观的用法，例如运用加速度来操控显示画面，也就是藉由倾斜手持设备来实现屏幕显示内容的上下左右浏览，并可通过对单击(单次振动)或双击(连续振动两下)的识别，来进行各种功能的选择，例如歌目选择、手机拨号及静音控制等。
有趣的增值功能
加速度器对于动作的感测，还能创造出许多有趣的应用，如骰子游戏、虚拟乐器敲击及[闪讯](Wave Message)等。骰子游戏是藉由摇动手持设备来控制骰子旋转速度及停止时间；虚拟乐器敲击是藉由对手持设备的挥动感测，来控制敲击乐器的节奏快慢及音量大小；闪讯则是在光线较暗的环境下，当手持设备快速左右移动时，加速度计会感测动作并驱动LED发光，在空中形成连续的光影信号。
其它应用
对于手持设备来说，降低功耗一直是最重要的任务之一，而通过内建的加速度计，可以侦测到设备的使用状况，并采取适当的省电控制模式，此举将有助于延长手持设备的电池寿命。此外，加速度计也能提供计步器、电子罗盘补正(3D Compass)、照相防手震等附加功能。上述种种的创新应用能力，让3轴加速度计成为手持设备中另一个不可少的芯片。
电容式加速度计技术
接着来看看加速度计的设计原理。常见的加速度计技术包括压阻式(Piezoresistive)、电容式(Capacitive)、压电式(Piezoelectric)及热对流式(Thermal)。目前市场上商业化的加速度计主要是采用压阻式、电容式与热对流式，日系厂商主要采用压阻式技术，ADI、ST等欧美厂商则采用电容式技术，对流式的代表厂商则为MEMSIC。
电容式加速度计是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等独特优点。随着MEMS和半导体制程的进步，大幅改善其原先的一些使用限制，也让电容式作法成为今日市场上极受欢迎的一种加速度计设计途径。
电容式加速度计的结构中会有可移动的质块与相对的固定端，分为作为电容的两极。当外界加速度使可移动极与固定极发生相对位移时，两极间的电容量也会产生变化，通过特殊电路可将此变化量转换成相对应的输出信号。
电容式加速计的好处甚多，比起压阻式或热对流式容易因外界温度变化而产生零位漂移，电容式的电容值一般与电极材料无关，因此可选择温度系数低的材料；加上本身发热极小，温度对稳定性的影响甚微。此外，电容式除了可以实现微型化需求外，也能在高温、高压、强辐射及强磁场等恶劣的环境中工作，也能耐受极大冲击，适用范围极广。
另一个优点是它的动态响应时间报短，能在几MHz的频率下工作，因此特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小，可以用较高频率
供电，因此系统工作频率高，可以用于测量高速变化的参数。除了上述优点外，电容式还可测极低的加速度和位移(0.01μm以下)，灵敏度及分辨力可以做到很高。
在电容式的结构中，当其中的质块出现加速度运动时，就会产生电容量的差异变化(△c)，此变化会传送给另一颗接口芯片(Inter-facechip)，由它来输出可量测的电压值。因此，一个3轴加速度计芯片中必须包含两大单元，一是单纯的机械性MEMS传感器，它包含测量XY轴的区域及测量z轴的区域，内部有成群移动的电子；另一则是标准的ASIC接口芯片，它会将电容变化转换为电压讯号输出。
传感器与ASIC接口芯片这两大单元虽然都可采用CMOS制程来生产，但由于实现技术上的差异，两者目前大多仍会采用不同的生产流程，再将两颗芯片封装整合在一起，成为系统级封装(SiP)芯片。这两颗芯片可以用堆栈(Stacked)或并排(Side by side)方式来进行封装。采用先进LGA封装的ST加速度计芯片只有3×5×1.0mm，此尺寸已相当适合小型化手持设备的使用。
不同的应用需选用不同规格的加速度计，以手持设备的姿态识别与单击、双击动作侦铡应用来说，只需选用低频(0～20Hz)的加速度计即可；若需用于硬盘自由坠落的感铡保护，必须选用中频(～50Hz)以上的产品；对于汽车冲撞感测或洗衣机振动感测的应用来说，就需选用高频(～100Hz)的加速度计。
未来的MEMS明星
今日MEMS的当红产品，当然是加速度计，不过，还有许多的微机电芯片具有极佳的市场爆发力，包括陀螺仪、MEMS麦克风、IMOD显示器、嵌入式超小型投影机、MEMS振荡器等。陀螺仪是继加速度计后另一个备受注目的运动传感器，它能补足加速度计在转向角度上的不足，因此两者的互补能提供更精准的运动行为判断。除此之外，陀螺仪也能用于照相防震、3D遥控、空中鼠标、游戏游戏杆等应用中。
新的MEMS麦克风(也称硅晶麦克风)具有小尺寸、抗噪讯及易开发等优势，已成为取代传统驻极体电容式麦克风(Electret CondenserMicrophone，ECM)的主流选择；Qualcomm开发的IMOD(Interferometric Modulator)技术是一项基于MEMS的干涉测量调节显示技术，强调能够像光的薄膜干涉那样，获得如蝴蝶翅膀和孔雀羽毛那样斑斓的色彩，而且能比其它显示技术提供更低的耗电量。
此外，超小型投影机小到能嵌入手机当中，进而让手机能够投射出更大的屏幕，而不会受限于今日仅数寸的显示器，让手机用户能更进一步地享受视听效果。MEMS振荡器的应用则将冲击整个电子产业，因为它已成为长久以来用来提供频率的石英晶体振荡器的可行取代方案。
结语
MEMS概念设计 篇3
利用惯性元件可以对运动体的姿态进行测量, 惯性MEMS (微机电系统) 元件是近年来新出现的惯性器件, 其具有低成本、高可靠性、低功耗、尺寸小等技术优势[1], 只是目前精度还比较低, 但这项技术的性能每年都有大幅度提高, 应用领域也日益广泛。
陀螺仪在进行运动体姿态角测量时, 随着测量时间的增加会产生漂移[2][3], 使所测得的姿态角不准确。在飞行器垂直起降阶段, 飞行器可以看作是定基座装置, 这样便可以用加速度计对飞行器进行等效倾角测量, 并且因为加速度计漂移很小, 其长时间测得的倾角也较为准确。因此, 可以利用其对陀螺仪进行倾角测量的修正补偿[4]。
控制系统整体结构及倾角测量原理
飞行器垂直起降阶段控制系统框图如图1所示, 由内外双回路控制系统实现, 其中姿态角的检测用于外角度环的控制[5]。
本次设计采用的MEMS惯性测量元件为ADI公司的陀螺仪ADXRS612, 这是一款低成本角速率传感器, 带有温度补偿输出, 测量范围为±250°/s, 输出比例因素为7mV/°/s, 带宽为0.01Hz～2.5kHz可调, 漂移约为6°/min, 通过温度补偿算法可使漂移控制在200°/h, 可用在惯性测量单元与平台稳定系统中。
利用ADXRS612进行姿态测量, 只需将其输出对时间积分, 即可得到被控对象在某一转动方向上的倾斜角。
A D I S 1 6 2 1 0是基于S P I通讯方式的三轴加速度计, 其测量范围为±1.7g, 工作电压为3.0V～3.6V, 带宽50Hz, 用户可编程的采样频率、平均滤波截止频率以及输出校正。
利用三轴加速度计进行倾角测量时, 为消除重力加速度值不固定的影响, 采用反正切的方法来计算。
如图2所示, θ为水平线与加速度计x轴的夹角, ψ为水平线与加速度计y轴的夹角, φ为重力矢量与z轴的夹角。以一般情况图 (d) 为例, 加速度计x轴输出为:
y轴输出为:
z轴输出为:
则有:
故:
可以推出x方向的倾角为:
同理知y方向的倾角为:
加速度计融合补偿
由于陀螺仪在短时间内的动态特性较好, 且漂移是长时间累积产生的, 因此在设计利用加速度计对陀螺仪所测倾角进行修正的方法中, 我们采用在5ms短时间周期的姿态角由陀螺仪来确定, 而在5s长时间补偿周期中, 利用加速度计所测的等效倾角对陀螺仪所测角度进行误差补偿, 这样便兼顾了二者的特性优势。
每次长周期开始的250ms内, 取50组陀螺仪角度与加速度计所测角度的差, 如图3所示。
从图中可以看出, 陀螺仪漂移误差存在一定的波动, 考虑到陀螺仪自身工作状态由于实验条件的影响, 会出现一些不稳定的情况, 加之实验中所取的点也会因为噪声的影响, 使实验数据出现波动, 这里我们忽略这些影响因素, 只对陀螺仪漂移误差呈现直线趋势的部分进行补偿。我们设计采用最小二乘直线拟合, 来修正每次长周期剩余4.75s内陀螺仪积分角度误差, 这样就能减小陀螺仪的漂移影响了。修正机理如图4所示。
每一个5ms短周期内, 分别检测出横滚、俯仰以及偏航方向上的角速率ω, 积分求出角度增量∆θ, 与上一次得到的姿态角θG*相加, 并减去拟合的陀螺仪角度误差, 得出当前姿态角θ, 即:
在每一个5s周期到的时候, 读取加速度计a, 低通滤波之后求出等效倾角θA, 然后在接下来的250ms内, 取50组陀螺仪角度θG与加速度计倾角θA之差, 进行最小二乘直线拟合, 更新陀螺仪角度误差拟合曲线。并且在这250ms内, 姿态角取为陀螺仪积分角度, 即:
最小二乘拟合直线如图5所示, 由实验曲线可知, 所取的时间段内, 陀螺仪角度误差基本符合直线拟合:
然后在5s长周期剩余的4.75s内, 结合更新的误差拟合曲线对陀螺仪角度误差进行补偿, 以测出当前较为准确的姿态角。
软件实现流程如图6所示。
系统硬件安装
为测量飞行器横滚、俯仰、偏航方向的偏转角, 需使用三块陀螺仪芯片, 并且相互垂直安装, 如图7所示。而加速度计的安装需要注意的是, 为避免机体旋转产生向心加速度的影响, 应将其安装在机体尽量靠近质心的位置, 组合安装之后如图8所示。
结论
在ADuC7026微控制器下, 通过利用MEMS加速度计, 完成了对陀螺仪倾角测量的修正补偿, 得到了较准确的姿态角, 提高了飞行器垂直起降时的姿态控制精度。
摘要：利用ADI公司的MEMS陀螺仪ADXRS612和ADuC7026微控制器, 对飞行器在垂直起降阶段进行姿态倾角测量。由于该陀螺仪随着时间的积累, 会产生较大漂移, 采用ADI公司的MEMS加速度计ADIS16210对倾角进行测量, 并采用最小二乘拟合推算了陀螺仪漂移误差模型, 以补偿陀螺仪漂移误差, 提高了飞行器垂直起降时的姿态控制精度。
关键词：MEMS,陀螺仪,加速度计,姿态测量,最小二乘拟合
参考文献
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MEMS概念设计 篇4
Smartphone sensor microstructure， biomedical gene sequencing chip， nanocell 3D printing of beauty， smart dust， nano/ pico type satellite… super dreams that only appeared in science fiction movies in the past have been coming true via means of MEMS technology. MEMS is deservedly known as the“Pearl” of micro-nano manufacturing technology！
What is MEMS？
The full name of MEMS is Micro-Electro-Mechanical Systems， micro system in Europe， and micro machine in Japan.
MEMS is a special semiconductor device that can achieve mechanical， mechanics， and other functions， including two categories of sensors and actuators. MEMS focuses on a number of today's cutting-edge achievements of science and technology development， involving a variety of disciplines and engineering technology， with advantages of small size， light weight， low power consumption， low cost， high integration， and have a broad prospect in the consumer electronics， automotive electronics ， industrial control， health care， aerospace and military defense， etc.
3 Advantages
Miniaturization
The length of a typical MEMS device is about 1 micron to 1 cm. Of course， the size of the array of MEMS devices or MEMS entire system will be even greater. Small size enables flexible support， bringing high resonance frequency， low thermal inertia and other advantages. For example， the heat transfer rate of the micro-machined device is usually faster.
ce the size of traditional MEMS post. These devices and systems are referred NEMS. Many NEMS devices are assembled using nanostructures prepared， such as nanotubes. In some applications. NEMS provide the performance characteristics that MEMS do not have， such as able to achieve MHz （GHz） range of ultra-high mechanical resonance frequency， etc.
Integrated
Microelectronics
Another highlight of MEMS is that the sensors and actuators and mechanical components processing and control circuit simultaneously are integrated on a single chip. This integrated form mainly relies on monolithic integration， that is， the application of the whole piece of the substrate processing process， integrating different components on a single substrate method； not including pickup machine or manual assembling hybrid assembly methods. Monolithic integration is of higher technical requirements and lithography technology can ensure accurate device size and position of the element.
High-precision
volume manufacturing
MEMS technology is the general call of micro-structure processing technology from the nanometer scale to the millimeter scale. The technology originated in the microelectronics and semiconductor technology， having lithography， epitaxy， deposition， oxidation， diffusion， implantation， sputtering， evaporation， etching and other steps as the basic process for the manufacture， to make complex and highly accurate two-dimensional and three-dimensional structure， such as the inverted pyramid-shaped cavities， high aspect ratio trench， silicon vias， Izod and films. The conventional machining techniques can not process these micro structures with repetition， high efficiency， and low cost.
MEMS概念设计 篇5
关键词：MEMS传感器,MSP430单片机,振动监测,GPRS模块
0 引 言
我国是世界上地质灾害较为严重的国家之一,地质灾害包括地震、火山、泥石流、地面塌陷、地裂缝等[1,2],而且地震还会引发次生地质灾害,如汶川县发生的强烈地震诱发产生的滑坡、崩塌、泥石流等。由于其突发性和隐蔽性,往往造成巨大的人员伤亡和财产损失。由于地质灾害发生的突然性,传统的人工监测方法无法有效地预防灾害,所以建立实时自动化振动监测报警系统非常必要[3]。地质灾害监测是通过一定的监测仪器或监测手段对已知的地质灾害体进行形变、位移等特征进行测量,分析和了解地质灾害体的变形、位移状态及趋势,为地质灾害防治决策以及预报预警提供定量的数据[4]。
本文提出一种实时监测地质灾害振动变化并发出报警的系统设计,对地质灾害发生时所产生的振动情况进行监测,实现地质灾害的提前预报,为人们争取逃生时间,使地质灾害发生后的短时间内采取相应的疏散措施,从而避免更多的人员伤亡和损失。
1 系统总体设计
该设计采用微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)[5]加速度传感器,利用微控制单元(Micro Controller Unit,MCU)控制器将MEMS传感器感应的振动信息数据实时采集并传送给无线传输GPRS模块,振动信息数据信号经过去噪、放大,传送给上位机,若超过设定的报警阈值则报警装置启动,实现报警功能。
整个系统由传感器模块,MCU模块,无线传输模块,上位机,电源模块构成,其结构框图如图1所示。
2 系统硬件块设计
2.1 传感器模块
传感器模块主要由MEMS传感器组成,MEMS传感器集微型传感器、微型执行器以及控制电路和I2C接口于一体[6],能很好地获取周围环境的振动信息。由于地质灾害产生的振动是在各个方向上的都有分量的,所以采用三分量传感器来测量三个正交方向的加速度变化,从而获得振动信息。本设计采用相互垂直放置的2个低成本双轴加速度传感器MXC6202来获得3个方向的振动信息[7],其电路图如图2所示。
2.2 MCU模块
MCU模块采用MSP430系列单片机。MSP430系列单片机是16位超低功耗的微控制器系列,可使用电池长时间工作,具有强大的处理能力、高稳定性;集成了丰富的片上外围模块[8];其开发工具简单,可以在线编程,广泛应用于各种检测系统、导航系统、智能化仪器仪表、计算机网络与通信等方面。
该设计中采用MSP430F247单片机。单片机和传感器两者之间采用I2C总线传输,其连接如图3所示。
2.3 无线传输模块
无线传输模块可以使用GPRS模块或CDMA模块,应当根据监测地点的具体情况选择。在本设计中采用Motorola公司的GPRS模块G24L。G24L是一款高速的GSM/GPRS/EDGE模块,具有2个物理UART和标准USB 2.0接口,可用于AT命令和数据传输,系统默认的波特率是9 600 b/s[9]。
设计中通过MSP430单片机初始化控制G24L的工作状态,连接图如图4所示。MEMS传感器监测到的振动信号经由MCU控制模块采集,再通过GPRS无线通信模块传输到上位机,当振动值超过设定阈值时,发出报警信息。
2.4 电源模块
由于本系统在野外工作,所以采用低功耗设计,使用锂电池供电。同时设计了外接电源供电接口,在条件允许的情况下采用外接电源供电,可以延长电池的使用寿命。
3 系统软件设计
3.1 单片机程序
发射端软件流程图如图5所示,首先初始化串口、GPRS模块G24L和传感器,然后访问传感器的地址并采集存储器的数据,最后将数据包以一定的格式通过串口发送给上位机。
3.2 上位机软件程序
设计所采用的通信协议为:一个数据包中10个字节,其中2位起始位,2位停止位,中间6位数据位,包含x轴、y轴、z轴3个方向的重力加速度信息。上位机的软件流程图如图6所示。
4 测试结果
用VC++编程实现上位机控制[10],通过串口发送AT指令控制GPRS模块的数据收发。
测试终端接收界面如图7所示。
选取水平面坐标为x和y方向,垂直水平面的为z方向。由于加速度传感器寄存器值和传感器放置的位置有关,因此正常情况下z轴的标准值和其他2个方向值大小不一样,但不影响获取该方向的加速度振动信息。水平面上移动传感器所处位置,x和y轴信息会相应变化,垂直移动时,z轴会有相应变化。
测试过程中,如果没有振动,传感器读取的数据是固定的,通过通信协议由串口接收的原始数据为:24 0 8 3 8 3 6 3 d a 76,其中24 0两位为起始位,最后2位d a为停止位,中间是数据位8 3 8 3 6 3(8 3为x方向接收的数据,8 3为y方向接收的数据,6 3为z方向接收的数据),76为校验和。所以上位机可以收到6个固定的十六进制数据。当水平移动传感器位置,x,y方向会有相应的变化,变化量大于设定阈值时就会报警。
测试过程中发现,如果采取的校验方式不好,虚警概率很大,这主要和G24L无线模块抗干扰性有关。后经过多次比较校验方式,最后得到的结果基本无虚警,达到要求。
5 结 语
该系统利用MSP430单片机实时采集两个双轴加速度传感器构成的三分量振动信息,并通过GRPS无线传输模块传给上位机,从而实现对手机基站信号覆盖区域内的振动监测。如果采用高精度三分量MEMS加速度传感器,对该系统可稍加修改后还可以用于石油物探等领域。
参考文献
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[9]迟雪华,袁红兵,牛江平.基于GP R S的远程抄表和监控系统的设计[J].电脑知识与技术,2010,13(6):3338-3340.
MEMS概念设计 篇6
如今, 在体验过Wii和i Pad等带有重力感应芯片的游戏设备后, 人们已经不能满足于拿着传统鼠标在桌上划来划去这样的游戏体验, 对灵活、方便、趣味的输入设备的需求逐渐形成。
本文设计项目就是开发这样一个可以离开桌面, 戴在头上使用的一款鼠标产品——头部控制鼠标。
它的使用是通过用户头部的摆动来控制光标的移动, 可以将用户的双手解放出来, 摇头晃脑间就可以完全“掌”控电脑。
二、系统整体设计方案
头部控制鼠标的系统组成可分为主体电路与接收电路两个部分, 如图1和图2所示。
头部控制鼠标的主体电路由锂电池进行供电, 而接收电路由USB总线进行供电。主体电路为宏晶科技的STC89C516AD控制器为核心, 实时获取MEMS加速度传感器的状态信息。同时, STC89C516AD还对左右两侧的麦克风的音量进行采样, 通过对信号进行技术处理后, 整合成符合HID报告规范的数据包格式, 传送给无线射频系统模块, 无线射频模块再通过一定的通讯协议发送给接收电路。接收电路接收到有效的数据包后, 通过USB接口将HID报告送到计算机, 完成鼠标的一次输入过程。
三、系统硬件设计
从上面的介绍中, 可以把整个硬件系统细分为以下几个主要模块:鼠标主体电路控制模块、MEMS运动传感器模块、声控模块、无线收发模块和USB电路模块。各个模块之间相互配合工作。下面, 将对各个模块逐一进行介绍。
3.1 处理器模块
为减小系统体积和电路复杂性, 主体电路的控制模块以STC89C516AD微控制器为核心。STC89C516AD是宏晶科技推出的一款高性能8位MCU, 以高速单指令周期8051为核心。电路拥有丰富的外设, 包括PWM、A/D转换电路、Timer等, 其中A/D转换电路从P0.0-P0.7多达八路, 均为电压输入型8位精度高速A/D电路。可做电池电压检测, 频谱检测等。17个机器周期可完成一次A/D转换。
本系统中, 通过STC89C516AD的P0口, 共采集五路模拟信号, 其中三路来自MEMS芯片的加速度模拟量, 另外两路来自麦克风的语音模拟量。经过A/D转换后, 微控制器将数据转换成为头控鼠标的光标坐标和鼠标左右键状态, 并通过无线模块发送给接收电路。此外, 微控制器还通过I/O口出驱动3个LED, 用以指示鼠标的状态。
3.2 MEMS运动传感器模块
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 是微机电系统的英文缩写, MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分, 它融合了多种微细加工技术。相对于传统的机械, 它们的尺寸更小, 最大的不超过一个厘米。MEMS主要利用微型陀螺仪以及加速仪工作, 能够感知运动的速度与方向, 这些特性使得MEMS用户能够用运动的方式操控设备, 比如通过手势翻看手机屏幕上的相片, 甚至可以用MEMS设备打体感游戏。
本系统采用飞思卡尔半导体公司生产的MEMS芯片——MMA7260Q, 这款芯片是采用MEMS工艺设计生产的低功耗单芯片集成三轴加速度传感器。它的主要特点是:2.2V-3.6V供电电源;工作电流小于500u A。采用该传感器可以有效降低系统成本和硬件复杂度, 减小了系统的体积, 同时使系统具备较高的灵敏度和可靠性。
系统中使用MEMS器件来获取头部控制鼠标的运动, 并将获取的数据处理成鼠标动作数据, 发送给USB模块电路。
MMA7260Q传感器的X、Y、Z三轴的检测信号输出端输出的是模拟电压信号, 在此分别与STC89C516AD单片机的P0.0、P0.1、P0.2三个A/D转换通道相接。MMA7260Q传感器的接口电路如图3所示。
3.3 声控模块
声控模块的作用是负责将左右两个麦克风采集的语音信号转换成鼠标左右键的单击或双击信号。外观如图4所示, 图中的耳麦拥有一左一右两个麦克风。这两个麦克风是用来分别对鼠标的左键和右键进行控制, 实现鼠标的操作方式非常的简便, 只需向麦克风吹气便可完成操作, 吹一下是单击, 连续吹两下就是双击鼠标;向左吹是控制左键, 向右吹则是控制右键。
3.4 无线收发模块
目前, 无线通讯方案的可选择性比较多, 本文选用的是2.4GHz无线技术。2.4GHz ISM是全世界公开通用的无线频段, 在2.4GHz频段下工作可以获得更大的使用范围和更强的抗干扰能力。2.4GHz无线技术如今已经成为了无线产品的主流传输技术, 并将会在不远的物联网时代作为末端的通讯方案发挥更大作用, 潜力无限。
本系统选用Nordic公司生产的2.4G射频收发器NRF24L01作为解决方案。NRF24L01为单芯片的无线收发器, 低功耗, 低工作电压, 是一款应用比较广泛的无线通讯芯片。比较适合于游戏控制器、无线收音、计算机外设等设备。数据传输速率可选为1Mbps或2Mbps。发射功率可以设置内置状态机与数据FIFO缓冲器, 可以进行集发式的数据传输, 以减少功耗。模块电路如图5所示。
3.5 USB电路模块
USB是大家熟知的一种接口技术, 其特点是即插即用和热插拔功能。PIC18F4550是Microchip公司最新生产的带全速USB接口的8位单片机, 该芯片有很强的控制能力和灵活的工作方式。它的全速USB 2.0接口具有1KB双重存取RAM, 具有USB协议所规定的4种数据传输方式 (控制传输方式、中断传输方式、批量传输方式和实时传输方式) 。该接口包括一个片上收发器和一个并行流端口, 能把数据直接传送到外部的设备, 大大增强了系统的工作可靠性。
这种实现USB接口的标准组件方案使得设计者减小了开发的时间风险及费用。
微控制器PIC18F4550及周边电路如图6所示。
四、软件系统设计
系统的软件可以分为鼠标主体端与鼠标接收端两个部分。控制器分别是宏晶科技的STC89C516AD与Microchip公司PIC18F4550。主体端的软件系统主要是完成鼠标动作的数据采集和数据的发送, 而接收端的软件系统则负责鼠标数据的接收及USB接口的通讯。
4.1 鼠标主体端软件结构
在主体端的软件中, 主要用到了多任务调度与任务间的通讯功能, 鼠标动作数据处理的流程如图7所示。
在头控鼠标的加速度传感方案中, 最为关键的是如何用软件的方法除去重力以及抖动对传感器输出产生的影响, 这里首先对传感器输出的数据进行差分, 所得的数据通过一定的衰减后再减掉防抖阈值, 最后形成要输出的数据。
4.2 接收端软件结构
通过PIC18F4550, 可以实现各类应用, 例如USB存储设备、音频视频设备、人机交互设备、打印设备等, USB规范中也针对不同类别的应用而定义了很多标准应用类。其中应用比较广泛且开发简便的一个是HID (Human Interface Device, 人机接口设备) 类。
Microchip公司为其生产的带USB通信功能的单片机提供MCHPFSUSB Framework开发包, 开发包中HID类程序提供的程序结构如图8。
在鼠标的接收这一端, 无线通讯的任务流程基本与主体端的流程差不多, 只是这端以接收为主, 而主体端则以发送为主。同时, 在有效接收到数据包后, 程序将评估RF通讯双端的中心频率偏差, 并对芯片进行配置修正。无线通讯的一个关键问题是如何处理好数据丢包的问题, 处理不好, 鼠标就会跳跃, 这里, 借鉴了USB协议中对数据包交错发送的控制方法与应答机制, 很好解决了这个问题。
五、总结与展望
设计头部控制鼠标最初的目的是为用户提供一种与传统鼠标不同的, 相对灵活、趣味的输入方式。同时用户在使用头部控制鼠标时解放了双手, 可以在工作和生活中提高工作效率, 也可以为双手不便的残疾人提供方便。我们还发现健全人在使用头部控制鼠标可以充分活动颈部和背部肌肉, 从而达到预防颈椎和腰椎等疾病的效果。因此, 本设计的应用也将会越来越广泛。
摘要：随着科学技术的快速发展, 计算机变得越来越普及, 可算得上我们日常生活中不可缺少的工具。图形化计算机操作系统的最重要的一个输入设备——鼠标已经成为计算机的黄金搭档, 二者很难分离。但无论是先前的机械式的鼠标, 还是当前主流的光电式的鼠标, 在操作时都离不开一个平坦桌面的使用环境。在家庭多媒体娱乐中心的应用中, 使用传统的鼠标作为输入设备就显得局限和过时了。
关键词：MEMS,单片机,头控鼠标
参考文献
[1]张肃文.高频电子线路 (第四版) [M].北京:高等教育出版社.
[2]李蒙, 李刚, 郑羽.基于MMA7260的新型汽车防盗报警系统[J].天津工业大学学报, 2008, 27 (4) :49-50.
MEMS概念设计 篇7
近年来关于压电谐振器的研究层出不穷声表面波谐振 (Surface Acoustic Wave resonator) 和薄膜体声波谐振器 (Thin-Film Bulk Acoustic resonator) 是压电谐振器两种主要形式。典型SAW电路的主要缺点是其较大的体积和与微电子集成电路的不兼容。而FBAR器件是可以集成在芯片上的。FBAR器件利用薄膜沿厚度方向的震动, 在千兆赫兹的应用时Q值可以达到2000[1,2]。其中心频率可以通过选择薄膜沉积厚度来适当调节。然而更高Q值和在同一基底上具有多样频率标准是十分具有挑战性的。
一种新型的压电传导单晶硅谐振器可以缓解上述两种结构的约束。其特殊性在于使用的压电薄膜可以进行体硅能量传导。在顶层和底层电极之间喷溅形成氧化锌薄膜。整个堆叠部分作为驱动部分被称为压电堆栈致动器。同时单晶硅有着比石英晶体更高的能量密度, 于是具有更好的线性度[3]。关于压电传导单晶硅谐振器的研究国外学术界早有涉及而国内才刚刚起步, 具有很好的研究空间和前景。
1 压电传导单晶硅MEMS谐振器原理
一个机械系统的稳态响应可以用公式 (1) 表达
un ( x, y, z) 是振型, 是频率响应。和Um是频率s和模态数n的隐性函数。在设计过程中, 首先要讨论的是自然的谐振频率和模态公式, 接着, 针对机电结构建立模型仿真。
2 振型和固有频率计算与设计
由于相对来讲体声波震动比其他震动模态有的固有频率更高, 于是在极高频和超高频段技术中的应用具有不错的前景。体声波谐振类似于一个很薄的平面。当单晶硅平面的横向尺寸达到一个合适的比例的时候, 1-D模型可以适用。在一维模型中, 只有空间系数只有因变量x 。于是, 笔者建立如下公式:
其中L是主要影响频率的因数, Ei是单晶硅在i方向上的单向刚度模量, ρm是质量密度。
本研究中笔者的研究点在于低频震荡阶段, 假设的中心频率为10MHz, 同时只研究一阶模态, 于是n=1。压电薄膜影响传播的能力较小, 于是Ei我们只考虑单晶硅的影响情况。取单晶硅在i方向上的弹性模量为129.4Gpa , ρm为2300kg/m3。计算之后, 笔者可以得出谐振器长度为210μm。于是我们得出谐振主体单晶硅和压电晶体层长都为210μm。
3 等效电路模型建立和参数设计
等效模型的建立有助于更好的仿真和设计参数。对谐振器性能参数的预测理论上有着重要的作用。但是在模型的等效过程中, 对寄生参数的设定和研究需要进行更深入的研究和完善。
首先笔者把一个压电谐振器看做一个双端口电抗网络。输入外加电压为V1, 输出驱动电流为I2。双端口网络模型如图1, 其中Rpad、Cpad和C0都是寄生参数, Cs是固有并联电容。
由模型笔者可以定义端口网络数学模型为:
其中η1和η2分别是输入和输出机电耦合系数, Ym ( s, n) 为机械导纳, 这三个系数都是由外延模态在x轴派生出来的。
(1) 输入机电耦合系数:
输出机电耦合系数是诱导力与输入电压的比值, 如下式。
模型受力F1的定义是相对于参照点的谐振器上任意一点的受力, 其中参考点为x =0 。同时F1同加诸在压电薄膜层表面的力是相等的, 于是我们得出如下公式。
其中q1是模态位移, Tf是薄膜应力, Af是薄膜的有效面积, 为单一方向应变。因为定义了相对于参照点x =0模型受力F1, 所以为了方便起见稳定之后q1是等同于谐振器的位移的。
1-D模型中压电薄膜的诱导侧向应力为:
其中E3是场强, Ef是薄膜的弹性系数, eij和dij分别是压电应变系数和应力系。然后将Tf和代入 (2-7) 中后变换得到:
we1是输入电极的宽度, tf是薄膜厚度。于是由公式E3=V1tf代入之后得:
电极长度区间在于x1≤x ≤x2, 则输入机电耦合参数为:
(2) 输出机电耦合系数:
输出机电耦合系数为输出电流与速度的比率:
输出Q2可以由激励电位移D3在输出电极的面积范围内积分得到, 如下式。
其中we是电极的宽度, 如图2。
在推导公式求解之前, 笔者将必要条件代入机电公式:
其中,
T:单位面积上的应力 (stress for per unit area) ;
S:应变 (strain) ;
e:压电系数 (piezoelectric coefficient) ;
c:机械刚度 (mechanical stiffness) ;
ε:介电常数 (permittivity) ;
E:电场强度 (electric field) 。
在单一方向模态上e3pSp=d31T1, 又有V2=0 是求解Y21的前提条件, 于是E3在输出端口为零。
且针对输入端口有公式 (2-8) 得 (此时的电场为输入端口的z轴方向电场强度
则代入S1 (x) 可得, 所以应力为:
最后代入所有系数并整理参数, 得到端口2 的机械耦合系数为:
(3) 机械导纳:
对于1-D机械系统, 机械导纳为:
其中mn、cn和kn分别是动态模态质量、阻尼和刚度。有效质量可以由离散和连续模型的动能推导出公式。刚度和阻尼公式如下。 (ρm为薄膜密度)
在x =0 参考点时的机械参数为:
其中Ax≈ (tsi+tf) w在所有x区域内适用。
(4) 等效电路模型:
代入上式各类公式之后, 输出端口的导纳系数Y21 (s, n) 可以由几何参数和材料特性参数构成。
于是可以看出等效电路的电阻、电容、电感参数都自然出现了:
当谐振器结构对称时, 电路等效模型中的η1=η2。具体电路模型及寄生参数模型如图1。
(5) 对称电极:
谐振器输入输出端的电极是完全对称的, 即we=we1=we2。设电极中点是x =L2, 模态n为奇数, Le是电极长度, 其范围是[0, L], 耦合系数可有如下公式表达:
设we≈w2, 且将 (2-25) 式代入 (2-24) 式可以得到:
由公式可知, 等效阻抗R1是一个与频率无关的系数, 这意味着谐振器的衰减并不随着频率的变化而变化, 从而可以极大的提升器件稳定度。
参照一般MEMS谐振器标准大气压下的正常性能指标, 笔者假设本设计中谐振器工作过程中的Q值为5000, we设为25μm 。于是可以得到相关参数指标如表1:
同时根据两种材料的不同参数指标, 用ADS给出了针对两种材料的频率响应 (如图3、图4) 。两种材料的频率响应仿真结果与理论分析结果一致。
4 总结
本文从新型单晶硅传导压电传感器特性和原理出发, 较为详尽的分析了该类型谐振器的设计要点和优点特性。并针对不同的国内压电材料特性参数给出了详尽的结果计算列表, 并针对不同材料分别做出了等效电路仿真分析。本文的理论成果将为进一步优化该类型谐振器和进一步提高MEMS谐振器性能提供可靠的理论依据。
参考文献
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MEMS概念设计 篇8
汽车MEMS传感器是运用MEMS技术制作的一种微型传感器, 热学量、力学量以及化学量等性能都非常敏感, 体积小, 便于安装, 能耗低可节省大量的能源。此外, 汽车MEMS传感器还具有多种性能, 精度非常高, 容易构成多功能阵列, 生产起来也非常方便, 可以大批量的生产, 并且单件的成本较低。MEMS技术可以满足汽车对环境的苛刻性, 使电子技术在汽车行业得到了广泛的运用。
2 汽车MEMS传感器可靠性设计中存在的问题
汽车MEMS传感器可靠性的探究式一个复杂的过程, 在目前的传感器可靠性研究中, 并没有从整个传感器的整个开发环节其研究系统的可靠性因素, 还没有形成一种全面的汽车传感器的可靠性设计方式。MEMS系统的工作原理比较复杂, 涉及到多个领域和多个学科, 一般在MEMS装置中包含可动部件, 这也是传感器在制造和使用的过程中容易出现各种问题的主要原因。由于MEMS失效机理还尚没被人们所熟知, 不同的失效机理缺乏内在联系和相互作用的研究, 并没有在此基础上建立可靠的失效模型和可靠性因素评价体系。MEMS产品在生产的过程中, 可以看成是一个大规模生产集成电路的过程, 但是人们对MEMS的可靠性的要求却超过了集成电路的要求。目前在MEMS可靠性的研究中, 在制造环节和封装环节中存在各种不确定的因素, 对这类不确定因素的分析并不完备, 大多数的MEMS可靠性的分析都是定性分析, 而并没有向成熟的定量分析方向转变。此外, 对传感器寿命的模型研究并不多见, 有待加强。
3 汽车MEMS传感器的可靠性设计方法
3.1 基于阶段主导可靠性因素的传感器可靠性设计
汽车传感器在开发的过程中, 在不同的阶段受到不同可靠性因素的影响, 在设计过程中材料的种类、零件的结构和传感器的设计参数之间也会相互影响。传感器设计的可靠性涉及到传感器设计的多个环节, 例如设计环节、制造环节、封装环节和使用阶段等, 产品的设计以及材料的选择都要考虑到不可靠的因素。在一个新产品的开发过程中, 每一个环节和阶段出现的问题都会影响产品的可靠性。所以在开发一个产品的过程中, 对每一个阶段都要引起高度的重视, 做好各种评估和测试, 确定每一个环节产品的可靠性主要受到哪些因素的影响, 产品在开发设计的过程中, 所有的材料和特性以及产品的设计参数都会相互影响。因此在设计汽车MEMS传感器的时候, 可以建立基于阶段主导可靠性因素的设计平台或者模拟设计平台。通过建立一个模拟的设计平台, 可以对微机电系统和宏观设备在可靠性方面的要求的差异进行分析。
3.2 建立完整的可靠性因素评价体系和失效模型
通过分析微系统结构本身以及装配等各种因素对微机电系统的寿命的影响, 从失效的原因上来分析传感器的失效机理和可靠性因素, 从而建立有效的失效模型和可靠性的因素评价体系。在建立失效模型的时候, 所有的测量都是使用微尺度, 而在微尺度下表现出来的表面效应和尺度效应和宏观范畴的规律并不是完全等同的。在对汽车MEMS传感器进行失效分析的时候, 要从失效的现象找出失效的原因和失效的机理, 从而建立失效模式。在对汽车传感器的整体可靠性进行分析的时候, 应该从多个方面进行考虑, 首先是分析在不同阶段传感器的可靠性受到哪些因素的影响, 对于同一阶段的各种可靠性影响因素, 对所有的因素进行重要性分析, 找出关键因素, 最终对主导可靠性因素进行分析。除此之外, 还需要对各个因素间的相互关系进行分析。对MEMS传感器造成失效的原因主要有机械的冲击载荷, 湿度冲击以及温度冲击等。在对传感器的可靠性进行研究的时候, 应该要重点分析各种物理因素化学因素等对系统和零件造成的影响。
3.3 定量描述传感器系统寿命分布模型
在设计MEMS汽车传感器的时候, 需要对传感器的工作寿命进行研究, 此时可以通过定量描述传感器系统寿命分布模型来确定影响传感器系统寿命的可靠性因素, 从而确定整个系统的工作寿命。一般而言, 传感器的寿命周期主要分为三个阶段, 初期、中期和末期。其中最关键的阶段就是中期, 这也是传感器的工作期。在分析传感器的工作寿命的时候, 通过研究影响系统工作寿命的因素来对产品的可靠性进行定量分析。在确定系统传感器系统的特性曲线的时候, 需要确定各种可靠性的参数。在确定参数的时候, 可以从传感器的预期作用和任务要求、传感器的工作环境, 包括自然工作环境的分析和需要承受的机械应力的大小和系统的预期寿命来对系统的可靠性进行定量描述, 确定其寿命分布。在描述寿命分布的概念函数的时候, 首先应该定义可靠性的计算概念函数, 常用的函数有概念密度函数、可靠性函数和失效率。建立函数之后, 接下来就是确定可靠性参数, 这个参数的确定一般是在实际的实验中获得的, 采用人为加速老化的实验。通过实验获得可靠性参数之后, 根据传感器的类型建立合适的模型, 将实验的结果外推导实际的使用环境中。通过模拟和实验的共同方式, 最终确定参数对系统的影响量化, 从而优化传感器设计, 提高传感器的使用寿命。
4 结语
在汽车MEMS传感器的可靠性设计中, 可以使用基于阶段主导可靠性因素的传感器可靠性设计方法, 对可靠性因素评估体系和失效模型进行研究和分析, 定量描述传感器系统寿命分布模型对传感器系统的使用寿命可靠性因素进行分析研究, 从而实现汽车MEMS传感器的可靠性设计。
参考文献
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MEMS概念设计 篇9
关键词：姿态测量； 微机电系统； 惯性传感器； 卡尔曼滤波
中图分类号： TP 275 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.01.007
Abstract：Micro-electronic mechanical system （MEMS） inertial sensors are usually used to measure the attitude of the small unmanned aerial vehicle （UAV）， in order to reduce the controlling cost and save the effective payload. In this paper， the Kalman filtering algorithm was implemented on MCU MC9S12XS128 by embedded software. The Data fusion of the MEMS accelerometer and gyroscope output signals was executed by Kalman filter. The experimental results show that the zero drift and mechanical vibration interference problem of the MEMS inertial sensors could be reduced dramatically by the Kalman filter.
Keywords：attitude determination； MEMS； inertial sensor； Kalman filter
引 言
卡尔曼滤波器是Kalman于1960年提出的一种应用于离散线性滤波的迭代算法[1]，其目的是尽可能地减少测量噪声的影响，并从含有噪声的测量值中得到系统状态的最优估计。在小型无人机自动驾驶仪的设计中，受有效载荷重量和安装体积的限制，业界多采用微机电系统（MEMS）惯性测量单元来获取无人机的飞行姿态参数[2-4]。同时，受MEMS传感器制造工艺的限制，由MEMS加速度计和陀螺仪组合而成的惯性测量系统不可避免地存在零漂误差，且测试数据极易受到机体振动的干扰。为此，本文着重对小型四轴飞行器纵摇和横摇姿态（分别对应俯仰角和横滚角）测量进行研究。
1 卡尔曼滤波器的构造
2 卡尔曼滤波实验与结果分析
如图1所示，采用三轴MEMS陀螺仪L3G4200D，三轴MEMS加速度计MMA8451Q和16位Freescale单片机MC9S12XS128构成惯性姿态测量单元。其中，加速度计和陀螺仪通过IIC总线与单片机GPIO口的E2、E3引脚相连，经卡尔曼滤波后的数据通过Tx、Rx引脚发送到PC机。
软件流程图如图2所示，流程包括传感器初始化、IIC数据采集、卡尔曼数据融合和串口数据发送等4个主要步骤。
首先将JZJ-1转台的俯仰角保持在22°附近，采样时间为50 s左右。在此期间用橡皮锤对转台底座施加机械冲击载荷，测试曲线如图3所示。由图3可见，MEMS陀螺仪输出的俯仰角度值随着时间的推移明显偏离实际值，这是典型的零漂现象。在机械冲击载荷作用的时刻，由加速度值换算得到的角度值会明显偏离实际值。而经卡尔曼滤波后输出的角度值零漂现象不明显，且对外界冲击载荷的抗干扰能力较强。
当转台从-5°附近开始产生动态俯仰运动，在测试过程中对底座施加1次锤击，测试曲线如图4所示。由图可见，在动态工况下，卡尔曼滤波后的动态角度曲线比单纯依靠加速度计测得的角度曲线更平滑且无偏移。此时，卡尔曼滤波器同样对机械冲击载荷有较好的抑制作用。
3 结 论
本文利用卡尔曼滤波器对MEMS陀螺仪和角速度计的输出信号进行了数据融合，较好地解决了零漂和机械振动干扰问题。其基本原理是利用MEMS陀螺仪的信号作为预测值，利用加速度计输出信号对其校正。所设计的卡尔曼滤波器可运行在16位飞思卡尔单片机上，受单片机浮点运算能力的限制，采样时间间隔设置为0.1 s。如何在32位ARM芯片上实现多通道卡尔曼滤波，并提高采样频率将是今后研究工作的重点。
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（编辑：刘铁英）
MEMS概念设计 篇10
气体传感器是检测环境气体组分与浓度的重要器件之一。伴随着科技的发展,气体传感器已被广泛应用于气体泄漏检测,环境检测和样品采集等方面,而在火灾探测中更是具有传统感烟和感温探测器所无法比拟的优势。目前,这类传感器主要针对可燃性气体和有毒气体,其研究方向在于提高传感器的敏感度和工作性能、恶劣环境中的工作时间以及降低成本等。电导型传感器是研究和应用最早的气体传感器之一。它根据电子在介质中传输能力的变化,通过测定与待测气体间发生化学作用前后气敏材料的电导变化来进行检测。因为ZnO等金属氧化物半导体具有特殊的表面特性,在吸附待测气体分子后,自身的电阻会发生显著的改变,且低廉的成本,使其成为制作各种典型气体传感器的理想材料。同时,半导体氧化物的制备可以与微细加工工艺相兼容,这也为气体传感器的低功耗和小型化提供了很好的技术支持。本文提出了一种新型低功耗、小型化微机电系统(MEMS)氧化锌气体传感器的设计与制备方案。
1 气敏材料的选择
传统ZnO传感器主要是基于粉体制成的薄膜或厚膜传感器,由于气敏特性取决于气体和表界面的相互作用,故较小的比表面积限制了其灵敏度的提高和响应时间的降低。因此,将ZnO材料纳米化,通过增大比表面积以增强其性能成为重要的解决方法之一。刘锦淮等发现纳米花ZnO传感器在320℃对甲醇、正丁醇、异丙醇和丙酮有显著的响应。掺杂是改善半导体氧化物气敏性能的另一种有效手段。国内外许多研究组将不同的过渡金属催化剂掺入ZnO材料当中,发现也可以提高传感器的敏感度和选择性。Zhu等在ZnO厚膜中掺杂In,发现其对对苯、甲苯、二甲苯的敏感性及其电导率都明显增加;N. Brilis等通过掺杂Au和Pt等贵金属改变了ZnO薄膜对乙烷、丙烷、异丁烷等气体的敏感特性。通过上述方法,ZnO传感器的工作性能得到有效改善。但工作温度较高 ( 需加热 ),器件功耗较大 (500-1000mW) 和低温 ( 室温 ) 灵敏度差等缺点仍普遍存在。当现场检测可燃性气体浓度大于气体爆炸下限时,加热产生的高温可能将气体点燃,存在安全隐患。此外,温度过高容易使传感器吸附更多的气体而发生中毒,使传感器失效。因此,扩大被测气体的种类,向低工作温度方向发展,是研究的热点之一。
目前,碳纳米管 (CNTs) 因其超高的比表面积和独特的准一维电子结构,在测试中表现出高灵敏度、响应速度快、可在室温下检测的优点。但CNTs自身对气体的选择性非常有限,而且响应恢复时间较长,为了拓展应用,有研究组采用掺杂的方法对CNTs进行修饰,取得了较好的效果。可是CNTs本身制备工艺复杂且要求苛刻,无法直接制作出适合检测用的完全半导体性质的传感器。为解决上述问题,有些研究组开始尝试将制成的CNTs掺入氧化物半导体。如林伟等等采用射频反应磁控溅射的方法制备了掺杂多壁CNTs的SnO2薄膜材料,所制传感器对5.0×107NO2的灵敏度高达200。可见,进行CNTs掺杂的半导体氧化物传感器因其高灵敏度和低工作温度,具备了实用化的发展潜力。
本文提出的气体传感器设计采用掺杂多壁CNTs的ZnO薄膜做为气敏材料。其制备方法为将多壁CNTs涂于Zn靶材上,利用磁控溅射的方法在沉积了铂叉指电极的硅衬底上形成掺杂多壁CNTs的ZnO薄膜。
2 加热设计
电导式半导体传感器对气体探测的灵敏程度依赖于工作温度,传统的加热方式是在气体传感器中加入铂电阻线圈,因其加热功率在500mW以上,故功耗较高;此外由于传感器的输出信号微弱,需要配备相应的信号放大与检测电路,所以现有的传感器和检测装置无法实现小型化,不利于危险气体的现场检测。微机电系统加工技术的迅猛发展,使得传感器的气敏部分与加热装置集成在一起成为可能,能够实现传感器的小型化,同时采用微细加工技术制备的微型加热装置具有功耗低、加热速度快等优点。另一方面,半导体技术中的CMOS技术为有效实现器件小型化以及集成提供了极好的方法,使用该技术制备的信号处理电路具有信噪比高、低功耗、快速响应特性、在传感器芯片上实现智能特性以及可工业化批量制造等优点。
本文设计的气体传感器衬底材料为单晶硅,利用微细加工技术中的感应耦合等离子体刻蚀技术 (ICP) 在硅片背面刻蚀出中空膜片结构 ( 膜片尺寸800×800μm,厚度20μm),该结构可以有效减少加热源热量散失,随后在膜片区域沉积Pt膜,并利用湿法腐蚀出环形加热电阻,见图1和图2所示。设计的环形电阻厚度200nm、宽度10μm,加热功率在20-50mW之间,温度可达400℃。
3 加工工艺
MEMS低功耗氧化锌气体传感器的工艺流程如下:⑴选取双面抛光N型(100)取向硅片,利用标准工艺清洗,随后在硅片表面真空蒸发200nm厚Pt金属膜;⑵第一次光刻,利用湿法腐蚀形成环形加热电阻和Pt电极;⑶送入氧化炉进行热氧化,在硅片双面生长300nm厚SiO2层;⑷第二次光刻,在生长有加热电阻的一面露出Pt电极;⑸第二次采用真空蒸发沉积1μm厚Pt金属膜;⑹第三次光刻,利用湿法腐蚀形成叉指电极和加热电阻电极;⑺第四次光刻,随后采用磁控溅射技术,形成掺杂多壁CNTs的ZnO气敏薄膜;⑻第五次光刻,利用ICP技术刻蚀硅片背面,形成中空膜片结构。
4 总结
本文介绍了一种低功耗MEMS氧化锌气体传感器的设计方案。该传感器以掺杂多壁CNTs的ZnO薄膜作为气敏材料,并采用硅中空膜片结构和Pt环形电阻作为微型加热装置。该传感器具有低温敏感、低功耗和小型化等特点。
摘要：本文介绍了一种基于MEMS技术的ZnO气体传感器的设计与制备方案。该传感器采用磁控溅射技术制备掺杂碳纳米管的ZnO薄膜气敏材料,利用干法刻蚀技术形成硅中空膜片,并在膜片上形成Pt环形加热电阻作为微型加热装置。该传感器具有低温敏感、低功耗和小型化等特性。