案例分享 | MEMS电容式加速度计虚拟仿真实验

半导体产业是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展的战略性、基础性和先导性产业，也是世界主要国家高度重视、全力布局的竞争高地。

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）传感器作为半导体产业重要组成部分，能够有效推动产业的发展，增强产业创新能力和国际竞争力。

MEMS传感器是基于微机电系统的典型传感器件。它是指可以批量制造的，集微结构、微传感器、微执行器以及信号处理和控制电路于一体的器件或系统。其特征尺寸一般在0.1m～100m范围。MEMS集成了当今科学技术的许多尖端成果，它将感知信息处理与执行机构相结合，改变了人类感知和控制外部世界的方式。

背景与痛点

如今，MEMS传感器正逐步取代传统机械传感器的主导地位，与传统的机械传感器相比，MEMS传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化等特点。在消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等领域得到广泛的应用。

其中MEMS加速度计已经成为无处不在的传感器，其应用面之广，覆盖了从国防到民用基础设施等各个领域，涉及各种小尺寸、低功耗和高性能应用。

然而目前MEMS传感器的教学只能停留在书面教学层面，且学生普遍反映其内容“门楼太高”，主要是MEMS传感器设计难度大，结构复杂，制作工艺设备价格昂贵且对环境要求非常苛刻，校准试验受到场地及安全限制等实验教学的难题，因此只有通过虚拟仿真实验，才能把这一高新技术内容引进实验课堂。

解决方案：原则与方针

基于此，恒点与南京理工大学共同合作开发《MEMS电容式加速度计虚拟仿真实验》。针对MEMS传感器内部结构复杂，制作工艺设备价格昂贵且对环境要求非常苛刻，校准试验受到场地及安全限制等实验教学的难题，团队以相关科研和教学成果为基础，遵照“能实不虚，虚实结合”的原则，为《传感器原理与应用》课程自主研发了MEMS电容式加速度传感器虚拟实验项目。

实验根据《传感器原理及应用》，测试技术课程大纲以及知识点的要求，结合MEMS传感器的军民两用的需求，从MEMS传感器的基本原理，结构设计与加工工艺，测控电路，标定与数据处理等各阶段开展了虚拟仿真实验，以传感器设计指标为任务导向，开展自主容错探究式虚拟仿真实验。

解决方案：设计亮点

（1）MEMS电容式加速度计原理认识

以分解部件的形式展示MEMS电容式加速度计的过程，建立学生对MEMS传感器过程的全面认知和理解，并为下一步传感器的设计实验和整机标定实验奠定基础

（2）传感器结构设计，加工工艺设计实验

通过引导学生自主设计传感器的结构，以及加工工艺流程，使同学们掌握MEMS传感器的质量－弹簧－阻尼结构特点以及光刻、薄膜沉积、掺杂、刻蚀（湿法刻蚀和干法刻蚀）等关键工艺问题，为将来各类MEMS设计与制作打下基础。

（3）传感器测控电路设计

通过总体任务和分项任务，设计与实现传感器的微弱信号调制、滤波等功能，实现高仿真度的电路调试过程。引导学生根据电路的性能参数或曲线分析设计的调理电路是否满足任务要求，强化学生们的电路设计的能力。

（4）传感器标定与应用示例

学生通过在离心机，振动台等在虚拟仿真平台进行整机实验，获得自己设计的传感器灵敏度，线性度，重复性等指标，让学生们理解传感器的静动态特性的实验过程及要求。同时把设计的传感器应用到实际的工作背景中，使学生通过探究思考，分析在该应用过程中传感器需要在哪些方面进行性能优化，提高分析问题及解决问题的能力。

结语

通过恒点与南京理工大学共同合作开发《MEMS电容式加速度计虚拟仿真实验》，学生能够在深入了解传感器从结构设计、制作工艺、电路设计到成品的每个环节与最终的传感器静动态特性指标之间的关系，掌握知识节点中某些较难理解的概念、原理等，激发学生学习兴趣，提高学生认知和分析推理能力，实现理论与实践良好结合的目的。