MEMS电容式加速度计虚拟仿真实验

MEMS电容式加速度计虚拟仿真实验

MEMS 电容式加速度计 实验指导书

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首先登陆 https://mool.njust.edu.cn/course/details-expe/218.html，进入“MEMS电容式加速度计虚拟仿真实验”主界面，然后点击“进入实验”进入登陆界面，利用注册好的账号、密码登陆。评委点击“评审账号 1”或“评审账号 2”登陆。登录后点击“预览”，下载课件，下载完成后即可实验。

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实验准备

进入“实验简介”，了解实验目的、实验原理、实验内容及操作步骤，实验要求等。如果有不清楚的地方，可以查阅相关文献或联系在线服务教师进行咨询。做好充分的实验准备，以保证实验效果。在进行实验之前，学生需要自备手册等参考资料，以便于线下进行工艺参数等数据的计算，部分参考文献：
[1]陈晓亮. 差分电容式微加速度传感器稳定性研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2009.
[2]张斌. 高精度电容式数字化微机械加速度计系统的研究与设计. 浙江大学, 2011.
[3]陶永红, S·格罗斯让, J-M·达加. 电容式加速度计传感器的接口电路,
CN109120252A[P]. 2019.
[4]周泉, 李桂安. 基于电容式微加速度计的信号调理电路的设计与标定[J]. 电子器件,
2020, 043(002):366-371.
[5]王新寓. 一种大量程电容式加速度计的设计[D]. 哈尔滨工业大学, 2015.
[6]周晓奇. 电容式微机械加速度计处理电路研究[D]. 浙江大学信息科学与工程学
院.,2008.
[7]代志双, 徐亮, 谢亮,等. 应用于 MEMS 加速度计的电容式检测电路设计[J]. 传感器与
微系统, 2020, v.39;No.339(05):83-86.

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开始实验

学生进入“MEMS 电容式加速度计虚拟仿真实验”，进入主页面，如图 1，实验主要分为“传感器认知”、“传感器设计”、“传感器校准”和“应用案例”四个环节。选择“传感器认知”，进入“传感器认知”环节实验，如图 2（a）。

图 1 虚拟仿真实验界面划分
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（1）“传感器认知”环节

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步骤1

点击“传感器认知”的下拉菜单，出现图 2 的界面，点击该步操作界面下的地图，点击该界面中的任何一个设备，将会在虚拟微电网中见到该设备，且可以获取该设备的原理介绍。具体见如图 3-~图 5。认知环节包括传感器应用场景认知、结构及工作原理认知两部分。传感器应用场景认知通过六个经典的 MEMS 加速度传感器应用案例，配以动图的形式，形象生动的再现了传感器的应用场景。图 2（a）是实验的首页，可以从中选择所需的流程；图 2（b）给出了加速度计在不同场合应用案例的介绍。

（a）

（b）
图 2 虚拟仿真实验总界面（a）和应用认知界面（b）
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步骤2

除了应用认知，在实验开始前，实验简介还包含实验的背景、目的及操作流程的介绍，并形象化地展示了 MEMS 电容式加速度传感器的工作原理及敏感结构组成，最后通过环节考核的方式给出相关认知部分的思考题。其中，图 3（a）展示了传感器结构和工作原理的认知部分，图 3（b）展示了环节考核的内容。

（a）

（b）
图 3 结构及工作原理认知（a）和认知环节考核（b）
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（2）“传感器设计”环节

“传感器设计”环节包括结构设计、加工工艺、电路设计三大部分，点击“传感器设计”的下拉菜单“结构与电路设计”进入该步的操作界面。图 4（a）为传感器结构与电路设计首页，学生进入该环节的具体操作步骤如下。
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步骤3

在点击结构版图设计后，会随机产生一组需要学生设计的传感器性能参数，学生以该性能参数作为设计目标开始结构版面设计与测控电路模块设计。图 4（b）为随机生成的设计指标。设计指标分为大量程 30g 和小量程 2g 两种。

（a）
（b）
图 4 传感器设计环节首页（a）及设计目标展示（b） 
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步骤4

根据设计目标与敏感加速度的方向，学生在元件库中拖动对应尺寸的结构元件，选择不同几何参数的梳齿电容（二选一）、支撑梁类型（二选一）、质量块、电极及摆放位置（如图 5a），根据指定敏感加速度方向在中间画布中设计敏感结构，搭建 MEMS 电容式加速度传感器结构基本框架，如图 5（b）所示。

图 5（a） 传感器结构主要元件和整版结构示意图

图 5（b） 传感器结构框架搭建示意图
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步骤5

在敏感结构的搭建过程中，需要输入各组件的结构参数，包括质量块的长宽、梳齿电容的间隙和对数、支撑梁的尺寸等，在搭建完成后还可以在图 5（b）右侧的参数表中进行修改。在确定结构参数的基础上，学生根据所学知识计算敏感结构的输出参数，包括质量、弹性刚度、固有频率、初始电容和电容标度因数等，并将结果输入到图 5（b）的右下方位置。如果计算偏差不大，在提交设计后，会展示图 6 所示的结构设计输出。

图 6 结构设计输出结果
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步骤6

学生在设计和加工形成的敏感结构基础上，根据应用需求确定技术指标，选择测控电路方案，并根据方案拖拽电路模块到画布上，使用导线进行模块互连，形成电路设计原理图，如图 7、图 8 分别是设计前和设计后电路原理框图。

图 7 电路设计初始界面

图 8 通过提供基础构建，学生可自由组合，实现四种测控电路
学生可自由设计测控电路方案，且有多种测控放啊可选，如图 8 所示。在电路搭建过程中学生还可以通过鼠标点击查看各模块的功能及波形输出 ，如图 9 所示。

图 9 各环节节点的信号波形
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步骤7

学生可根据指标要求和敏感结构的参数进行电路模块参数的设置，主要设置参数包括前置电荷放大器反馈电阻和电容参数的设置，低通滤波器参数的设置等，如图 10。设置的参数将直接影响测控电路的增益、带宽和噪声水平，间接反映学生参数设置的优劣及对测控电路的理解。

图 10 电路参数优化迭代
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步骤8

在确定电路环节关键参数后，学生可根据这些参数计算测控电路的主要性能参数，包括电路增益、带宽、零位、噪声谱密度等，这些电路参数与之前的敏感结构输出参数一起作为传感器的设计参数。如果电路性能参数输入偏差不大，可以点击提交设计按钮，而后点击“生成版图”按钮，将展示形成的电路版图和最终形成的电路总体参数，如图 11 所示。

图 11 形成电路版图的界面
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步骤9

在完成结构和电路设计后，点击“传感器设计”的下拉菜单“微电网接线图与控制结构”进入关键加工环节的操作界面，如图 12（a）所示，对设计的 MEMS敏感结构进行加工。首先需要选择工艺流程，通过排序的方式让学生熟悉 MEMS 加工的全流程，如图 12（b）所示。

图 12（a）进入关键加工环节的操作界面

图 12（b） 加工工艺排序
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步骤10

首先进入光刻间，并进行晶圆选择。图 13 为晶圆选择界面。

图 13 晶圆选择及相关提示

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步骤11

学生进入光刻环节；光刻包括两种光刻机台选择，分别为步进式光刻机和接触式光刻机；选择不同的机台会产生不同的工艺误差，导致最终的传感器性能差异；光刻中分为三个子步骤，分别是涂覆光刻胶/图形曝光/显影，如图 14 所示。

图 14 MEMS 光刻工艺
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步骤12

深硅刻蚀工艺环节，学生自行设定深硅刻蚀深度、刻蚀气体等工艺参数，点击鼠标，进入牺牲层释放环节，如图 15 所示。

图 15 MEMS 深硅刻蚀工艺
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步骤13

点击鼠标，进入干法释放工艺步骤，选择释放速度（一个参数），如图 16 所示。

图 16 干法释放工艺
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步骤14

点击鼠标，进入沉积金属层工艺步骤，选择金属厚度（一个参数），如图 17 所示。

图 17 金属层沉积工艺
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步骤15

学生引出信号线，需要将对应管脚和已有外壳关键相连；点击鼠标，进入真空封装，选择真空度（一个参数），如图 18 所示。

图 18 MEMS 引线与真空封装工艺
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（3）“传感器校准”环节

在完成传感器的设计和加工后，学生相当于得到了一个完整的传感器，学生点击首页“传感器校准”选项卡进入该步的操作界面，通过校准环节对传感器的性能进行测试，具体步骤如下。
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步骤16

首先进行离心机静态校准，校准得到的参数包括标度因数及标度因数线性度等。学生选择静动态标定环境，如图 19（a）所示。在离心机和精密线振动台上确定传感器安装位置及方向，见图 19（b）所示。

（a）

（b）
图 19 标定环境（a）和离心机 3 维示意图（b）
根据显示的离心机杆臂长和对应的转动速率确定标定点的加速度，其界面如图20 所示；先进行正向加速度实验，然后将 MEMS 电容式加速度计反向安装，进行反向加速度实验；分别给出正向实验和反向实验的输出平均值。

图 3-20 输入标定数据界面
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步骤17

实验共进行 3 轮实验，得到 3 组测试结果；采用最小二乘拟合的方法，对输出平均值进行处理并画出如图 21 所示的静态标定曲线，得到 MEMS 电容式加速度计的标度因子、偏值和标度因子非线性。

图 21 加速度计标定因子及非线性特性实验界面
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步骤18

完成离心机静态实验后进入传感器迟滞实验。实验界面如图 22 所示。同样等间隔设置 6 组标定点，实验共三轮。

图 22 离心机迟滞实验
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步骤19

在完成三轮往复实验后，学生根据获得的实验数据计算传感器的迟滞特，计算结果如图 23 所示。

图 23 迟滞特性实验结果
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步骤20

点击进入振动台幅频特性环节。根据显示的精密线振动台的设置频率点和设置振动幅值（1g 和 15g,根据量程的设计，两者选一），其界面如图 24。从低频到高频输入正弦振动加速度（正弦振动加速度的公式 a=幅值*sin(2*π*频率)）。

图 24 加速度计动态标定输入参数界面
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步骤21

记录实测输入输出值，得到加速度计在各个频率点的幅度；学生根据加速度计的幅频曲线，如图 25 所示，计算出加速度计的工作带宽（敏感结构和电路），敏感结构的固有频率以及阻尼比。

图 25 加速度计的频响特性示意图
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（4）“传感器应用实例”环节

传感器校准后进入应用实例环节，点击主界面“应用案例”的下拉菜单“微电网接线图与控制结构”进入该步的操作界面。应用实例根据传感器设计的不同量程（2g 和 30g），对应其中的某一应用对象。
加速度计典型应用部分——（1）火炮发射角测量应用场景（2g）
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步骤22

展示实验任务目标和应用环境，如下图 26 所示。

图 26 应用案例的任务目标
点击“开始任务”，展示射击目标及前面设计加速度传感器的关键参数，随机产生的设计目标包括射程和初速两个参数，在两个参数已知的条件下，射程仅和发射角相关，根据前面的条件计算理论发射角。而实战中，往往是通过实时测量发射角，在装填药满足初速条件的基础上，追求希望的射程。本实验就通过是否命中目标，来间接评判传感器对发射角的测量精度，当测量发射角和理论发射角相差不大时，炮弹能够命中目标。设计目标和传感器参数如图 27 所示。

图 27 设计目标及传感器参数界面
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步骤23

点击“确定”进入操炮环节。该环节模拟火炮操炮手打击目标的过程，通过操纵炮管仰角达到打击预定目标的过程。点击“操炮”进入传感器安装环节。我们通过安装传感器代替传统的读取角度刻度盘的方式，可为自主装填发射提供技术支撑。点击“传感器安装后”，火炮炮管中心区域高亮显示，点击高亮区域可以开始安装传感器，如图 28 所示。由于加速度传感器测量倾角的原理是利用重力矢量及其在加速度计轴上的投影来确定倾斜角度。安装传感器时要保证传感器的敏感轴方向与火炮炮管的指向平行，保证传感器测量的倾角是炮管的发射角。

图 28 操炮过程中传感器安装环节
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步骤24

点击“操作火炮”，火炮炮管缓缓升起，并最终停在传感器测量得到的目标射角上，如果传感器设计没有问题且误差较小，则该测量射角与理论射角应该保持一致。在火炮操作过程中，右侧会实时显示加速度传感器的输出值以及利用该输出值计算的倾角测量值，如图 29 所示。

图 29 操炮过程中传感器输出及对应倾角
点击“发射”按钮，进入炮弹发射环节，视角进入发射区的侧面，左面显示射击目标，中间会显示一条虚线的弹道轨迹，该轨迹是根据发射条件和测量得到的发射角计算的一条轨迹线，炮弹落地后会显示“理论射角和发射射角的对比曲线”，如图 30 所示。如果测量射角与理论射角间的偏差大于 10%，则将无法命中目标。

图 30 理论射角与实际射角的对比曲线
实验结果展示，如果传感器设计得当，会显示“命中目标，请整理实验报告”，如果传感器关键参数设计超差，将展示“未命中目标，设计的传感器 XXX 超差，请返回设计环节修正后重试。”其中 XXX 为传感器的关键参数，主要包括标度因数、零位和标度因数非线性等三个指标。后台会对设计的传感器进行评估，并指出传感器超差的参数。如图 31 所示。学生也要根据实验现象分析，传感器参数超差对设计效果的影响，并返回到设计环节进行设计改进。

图 31 结果显示及超差反馈提示
加速度计典型应用部分——（2）炮弹转速测量应用场景(30g)
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步骤25

之前的设计实验考虑的是真空弹道，并且忽略了炮膛磨损、火药起爆差异等因素，实际的火炮发射具有偶然性，落点也会散布到一个比较大的圆圈内。现在智能弹药希望对炮弹运行中的外弹道参数进行实时测量，并通过鸭舵、喷嘴等执行机构对弹体的飞行姿态进行实时控制，以提高打击命中率。而炮弹转速是一个关键的测量参数，由于炮弹的转速一般比较高，利用陀螺仪测量弹体的旋转角速率面临着传感器量程不够的问题，利用加速度传感器测量旋转的离心加速度并间接解算弹体转速的方法具有很好的应用前景。本实验通过大量程加速度传感器实时测量转速的精度来评价传感器的设计性能。图 32 所示，展示“任务目标”和应用场景。

图 32 应用案例的任务目标
点击“开始任务”，展示设计目标和根据设计目标确定的炮膛出膛转速，如图33。该转速根据炮弹外弹道的经验公式获得，并呈现逐步衰减的趋势。另外展示前面设计传感器的标定结果，利用刚体绕定轴旋转时，离心加速度与转速间的关系可以通过测量加速度的方式间接获取转速，但传感器中的关键参数误差会对转速测量结果产生影响，而转速测量误差将影响实时修正的结果，造成炮弹脱靶。

图 3-33 设计目标及传感器参数界面
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步骤26

点击“确定”，进入操炮环节，首先点击“传感器安装”，右侧的炮弹高亮显示。根据测量原理，传感器需要安装在炮弹横截面内，且方向指向横截面圆心（反向也可以）。点击“炮弹”高亮区，炮弹断开显示横截面和传感器安装过程，且标注传感器与圆心间的距离为 30mm，如图 34 所示。学生再根据前面的转速可以计算旋转过程中的最大离心加速度，并评价设计传感器的量程指标是否满足要求。

图 34 操炮过程中传感器安装示意图
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步骤27

点击“炮弹上膛”，动画展示炮弹装填的过程，如图 35a。点击“发射”按钮，视角切换到发射区侧面。除了会展示目标区和火炮发射区之外，在上面还是对炮弹出膛旋转过程给出特写镜头，并实时给出传感器输出曲线和根据传感器输出计算的转速测量值，如图 35b。在此之后会展示炮弹落地过程，并对是否命中目标进行评估。

（a）炮弹上膛动画界面

（b）传感器输出曲线和相应计算的转速测量值
图 35 炮弹上膛动画示意与转速测量
如果传感器设计参数合理，则将展示“命中目标，整理实验报告”的结论，如果没有命中目标，和前面的实例一样，也会给出传感器某个设计参数超差的提示，并要求学生返回到前面的设计环节进行设计修正。为了帮助学生发现问题，在实验结束后，同样会显示“炮弹实时转速测量曲线和理论转速曲线”的对比图，并将偏差 5%作为评价标准，只有当传感器的设计参数保证转速测量结果与理论转速偏差小于 5%，学生才能得到转速测量合格的评价。其界面如图 36 所示。至此，完成整个实验的交互操作。

图 36 结果显示及超差反馈提示
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撰写实验报告

上述步骤完成后，可点击“实验报告”按钮，系统弹出实验报告，查看报告并提交。
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