MEMS加速度传感器的原理与构造.docx

始电阻值为：R=pS式中，O电阻丝的电阻率;1.电阻丝的长度;S电阻丝的截面积。当电阻轨受到拉力F作用时，将伸长M,横截面积相应削减S,电阻率则因晶格发生变形等因素的影响而变更.M,故引起电阻值变更M。对全微分，并用相对变更量来表示，m竺=些-竺+包R1.Sp式中的(,".)=g为电阻丝的轴向应变.常用单位*£(“把=IXIN"V”，”"”)»若径向应变为rr,由材料力学可知Arr=-S1.D=-,式中为电阻丝材料的沼松系数，又因为ASS=2(rr),代入式可得R=(l+24)e+3"灵敏系数为GF,如，虫+("2)£R£P'对于半导体电阻材料，&夕(1+2川£,即因机械变形引起的电阻变更可以忽视，电阻的变更率主要由引起，即fRwp0可见，压阻式传感器就是基于半导体材料的压阻效应而工作的.1.2.2 压阻系数最常用的半导体电阻材料有硅和错，掺入杂质可形成P型或N型半导此式说明，在同一晶体上由两部分组成，部分是由纵向压阻效应引起的，部分是由横向压阻效应引起的。下表给出了硅和错中的独立压阻系数重量的值。徒和错的独立压阻系数材料类型电阻率C/?/“/(10,rN)和/(10HN)/(OUMV)P-Si7.86.6-1.1138.1N-Si11.7-102.253.4-13.6P-Ge1.1-3.73.296.7N-Ge9.9-4.7-5-137.91.2.3 1.臂梁分析悬臂梁根部的横向受力：6ni.=-1hr质量块的庾量，"；悬臂梁的宽度和厚度/，A；质量块中心至悬臂梁根部的距离/；加速度“悬臂梁的电网的相对变更率：RR=11lr+11lth=""察”bh去胶硼驱入，详细工艺包括清洗、驱硼、氧化等二次光刻，反应高子刻蚀Sia电i:MMMBB去胶浓硼扩散，工艺内容包括清洗、扩散、低温氧化、漂氧化硅、推动、热氧化第三次光刻，反应离子刻蚀MHKlI三三BHF漂正反面SiO2V三B1.PCVDSiO13500ASi,N41200A(/?«+cs+A)X(Iy)=,11A(三)由此可得以加速度作为输入变量“，质量块相对壳体位移S为输出变收;传递函数为X(三)MS)可见,假如将传感器的壳体固定在载体上,只耍能把质盘块在敏感轴方向相对壳体的位移测出来,便可以把它作为加速度的间接度盘。由上式可见，传感器无阻尼自振角频率为传感器阻尼比为从上式可以看出，当处于常加速度输入下的稳态时，其质量块相对壳体位移趋于如下稳态值:由上式可见，质收块越大，弹性系数越小，即系统无阻尼自振角频率越低，则电容式加速度传感器又微度越高。稳态灵擞度为:2.1.2电容式加速度传感器数学模型C=4陶由加速度变更到敏感电容变更的灵敏度为aC4w-2C>电容式加速度传感器的辨别率受到电容检测电路辨别率的限制，辨别率为2.2电容式加速度传感器的构造2.2.1 机械结构布局的选择与设计当前大多数的电容式加速度传感器都是由三部分硅晶体圆片构成的，l'层是由双层的SOl碎片制成的活动电容极板。如图一所示，中间的活动电容极板是由八个弯曲弹性连接梁所支撑，夹在上卜层两块固定的电容极板之间。提高精度很重要的项措施就是采纳差动测地方式，极大地提高了信噪比。因此，电容式MEMS加速度传感器几乎全部采纳差动结构，»1梁的濡本偌构形式UBJR1%折叁梁鱼构果蛇形折果"1UAW*2各片“住需性靛物点比较类B就费模芸用度小交叉Il合小应力故由主要得点用度小双策固定集较大小无箔枸团单折费柒较小我小有嫁念性健较好1.JWt较大大有节省面积小大有懒U态麒较小O*小大有IMt鬟大国角斜置梁较大大无前的费率比曷于匍整,不受io工谈薨影啊3.过我爱护结构的设计硅微弹性梁作为MEMS器件的基本组成部分，它的几何尺寸和材料属性会干脆影响微器件的工作性能、抗高过载实力，以与结构稳定性。高过我条件下微结构的受力形式主要表现为惯性力，而惯性力作为外力作用在构件上时，产生构件内力，且内力会随冲击加速度的增加而增大，当冲击加速度达到某一限度时，就会导致微结构破坏。若要保证MEMS加速度计在高过载条件卜.不失效，则组成的MEMS加速度计的微构件必需满意：足够的反抗破坏实力、足够的反抗变形实力和保持原有平衡状态的实力。而这些要求均与材料的力学性能有关。材料的力学性能指标主要包括：比例极限（弹性极限）。P、屈服极限。s、强度极限（抗拉强度）ob、弹性模蟠E、延长率6和断面收缩率等。因此在结构设计中，常采纳止挡块结构来限制敏感庾量块运动的最大位移。材料的选择MEMS加速度计用到的材料比较多，不同的部分很方可能采纳不同的材料。例如用F做衬底的衬底材料，用于做掩膜的掩膜材料，用于表面微加工的牺牲层材料等等。微加速度计常用的材料有单晶硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、多晶硅等等，详细哪种材料用于哪一部分不是固定的，须要在设计过程中依据其物理化学性质以与在加速度计中的作用加以综合考虑C因为该传感器动态要求比较高，因此在进行完结构设计，得到结构的尺寸以后，进行有眼元分析是必不行少的。运用有限元分析软件ANSYS对加速度计模型进行分析，可以得到下面的结果：进行静力分析，可以发觉承受应力最大的部位。进行模态分析，可以得到结构的固有频率和各固有频率下的振型。进行瞬态动力学分析，可以得到结构对外界激励的响应。通过以上有限元分析的结果，可以进一步改进设计，使所设计的加速度计具有更好的性能。工艺的选择电容式MEMS加速度计的工艺一般采纳的有：表面工艺、体硅工艺、1.lGA工艺与SOI+DRIE工艺等。如表3对这几种工艺进行了对比。表面工艺是在集成电路平面工艺基础匕发展起来的一种微工艺，只进行单面光刻。它利用硅平面上不同材料的依次淀积和选择腐蚀来形成各种微结构。主要包括牺牲层淀积、牺牲层刻蚀、结构层淀积、结构层刻蚀、牺牲层去除（释放结构）等。最终使结构材料悬空于基片之上，形成各种形态的二维或三维结构。体硅工艺是指沿着硅衬底的屏度方向对硅衬底进行刻蚀的工艺，包括湿法刻蚀和干法刻蚀，是实现三维结构的重要方法。为了形成完整的微结构，往往在加工的基础上用到键合或粘接技术，将曜的键合技术和体硅加工方法结合起来。硅的微结构经过多次掩膜、单面或双面光刻以与各向异性刻蚀等工艺而成，然后将有关部分精密对准健合成一整体。体硅加工工艺过程比硅表面加工困难，体积大，成本高。SO1+DRIE工艺是体硅工艺的一种延长与发展。利用绝缘体上硅（SOI）制造单晶硅三维微结构是最近几年发展异样快速的方法。利用Sol制造微结构的方法几乎都是利用D1NE（深反应离F刻蚀）对单晶硅进行深刻蚀。依据结构的不同、性能要求等可采纳正面结构释放和背面结构释放。«3电工艺的“比较IZ优A缺点*作帚妙乐尺寸为秣电不受硅片Jwigll,体积小,易于臬或成本耸,工艺皮底.富复生好*品率航辐明作电需电氟摊层技术JU破计复叙工艺/时薪成本真耶;腕易槌界就低mt物工卦件机财构植加"电容大.灵轨片.作电触艮就比高触电瞄合多层封装*硬矢大UCA*8t大,尺寸力来氢兴富比高,金财机BJ的大;械北移植小造用的材料有队内皮力大,尺寸无圳小SW+WVE圻构层4度脩密柜制度从1.5微米到几百微米,能实现有介费*充同感、总加了工艺U工肱-%和向敏UMj1.详细构造与加工工艺工艺过程中所选取的都是n-type(100)的，两层镜面的Sol珪晶层,处理层厚度800±25m,设备层厚度为30m,辄化层厚度为2m,图案化淹模要以110的晶向排列，前后面精度分别为1.5m和3m,湿法刻蚀的KoH浓度是40%,温度保持在50度。详细步骤山图二所示电容式加速度传感器制造过程（八）确定上产极板间的电容间距（b）用KOH对两面的Si02进行湿法刻蚀（C）等SiO2层被去除，新的氧化层会在两面重新生成，接着用KOH进行湿法刻蚀直到SiO2层被完全去除（d）在两面涂上光刻胶作为海法刻蚀的梁结构（e）去除光刻胶以后两面重新被氧化生成SiO2,随后再EVG-100覆盖（D利用剩下的光刻胶进行刻蚀然后移除光刻胶（g）等刻蚀完成，对称梁结构形成（三）利用对称结构确认中间梁位置（i）上下两层形成2m的SiO2对称氧化层来隔绝上中卜三层（j）随后通过梁结构中间层与上N层连接（K）限制480度的粘接温度随后在1100度F保存一小时。3其他加速度传感器3.1 光波导加速度计光波导加速度计的原理如何?1所示：光源从波导1进入，经过分束部分后分成两部分分别通入波导4和波导2,进入波导4的一束干脆被探测器2探测，而进入波导2的束会经过段微小的间隙后进入波导3,最终被探测器1探测到。方加速度时，质量块会使得波导2弯曲，进而导至其与波导3的正对面积减小，使探测器1探测到的光减弱。通过比较两个探测器探沏器2检测到的信号即可求得加速度。3.2 微谐振式加速度计谐振式加速度计，SiliconOscillatingAccelerometer,简称Sc)Ao一根琴弦绷紧程度不同时弹奏出的声音频率也不同，谐振式加速度计的原理与此相同。振梁一端固定，另一端终接一质显块，当振梁轴线方向有加速度时梁会受到轴线方向的力，梁中张力变更，其固有频率也相应发生变更。若对梁施加一确定的激振，检测其响应就可测出其固有频率，进而测出加速度。激振的施加和响应的检测通常都是通过梳齿机构实现的.SOA的特点在于，它是通过变更二阶系统本身的特性来反映加速度的变更的，这区分与电容式、压电式和光波导式的加速度计。SOA常见的结构方S结构和双端固定音叉(Double-endedTuningFork,DETF)两种。S结构原理图如下图所示，DEFT式就是在质啾块的另一半加上和左边对称的一套机构。DEFT是目前SOA的主流结构.唐方厚因定械一/IIr"'jl检割质量/<gIl振梁板一/国定板街3.3 热对流加速度计热对流加速度的原理与其他加速度计有根本上的区分，其他加速度计的原理都是建立在一个二阶系统的基础之上，而热对流加速度计采纳的是完全不同的原理。一个被放置在芯片中心的热源在一个空腔中产生一个悬浮的热气团，同时由铝和多晶硅组成的热电偶绡被等距离对称地放置在热源的四个方向。在未受到加速度或水平放置时，温度的下降陡度是以热源为中心完全对称的。此时全部四个热电偶组因感应温度而产生的电压是相同的（见下图）。由于自由对流热场的传递性，任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓，从而导致其不对称。此时四个热电偶组的输出电压会出现差异，而热电偶组输出电压的差异是干腌与所感应的加速度成比例的。在加速度传感器内部有两条完全相同的加速度信号传输路径：-条是用于测量X轴上所感应的加速度，另一条则用于测量丫轴上所感应的加速度。由于热对流加速度计中没有可运动的质量块，所以其制造工艺相对简洁，也比较简洁加工，而且其抗冲击性能特别好，可抗五万倍重力加速度的加速度。但环境温度对热对流加速度计的影响较大，而温度变更会导致零点漂移；同时热对流加速度计的频响范围低，通常是小于35Hz。3.4 压电式加速度计压电式加速度计的数学和物理模型与压阻式和电容式的加速度计类似，都是通过测附：阶系统中质依块的位移来间接测盘加速度，三者的差别就是在于测量这个质量块位移的方法。压电式加速度计利用了压电效应，或者更准确地说，是利用了正压电效应，即某些电介质在沿肯定方向上受到外力的作用而变形时其内部产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷C通过测量压电材料两级的电势差即可求得其形变压电原理在宏观尺度的加速度计中应用颇为广泛，这类加速度计的构造多为基座和质显块之间夹一压阻材料（如下图）。而MEMS压电式加速度计采纳的结构与压阻式微加速度计类似（如下图），都是悬臂梁末端加质最块的振动系统，二者型别在于镀在梁上的材料不同，压电式加速度计自然只要镀上压电材料，而非压阻材料。由5.4压电式加速度传猿器的结构困1一修庵IZ-电b3一战电部片川一项量块内-母性元件母一外完4加速度传感器的应用4.1 原理加速传感器能够测量传感器所承受的加速力。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力。人们在手机上常常看到的重力传感器，实际就是加速传感器的种，现代加速传感器有单轴、两轴、三轴之分。手机上常见的是电容式芯片三轴加速传感器，主要由双芯片构成，即重力测量单元和限制电路单元。在每个方向上，封装部分内有小块可移动的电极板和两块不行移动的电极板，当可移动电极板受到加速作用时，会产生惯性力，从而影响与左右两个不行移动电极板的间隔，使得电容值变更，促进电容电压值的变更，以此可以计弟出加速度。4.2 功能手机通过加速传感器能够实时的获得手机的移动状态，其最初的用途是用来检测手机是竖放还是横放，从而确定是横屏显示还是竖屏显示。随着三轴加速器普与，手机能够识别横放竖放，正面横放、背面横放，正面琵放、背面竖放状态，从而可以实现摇摆手机操作，翻转静音功能等；加速传感器另个重大用处就是利用手机摇摆来玩嬉戏，其加速值大小能够在嬉戏中得到充分表现，从而代替传统嬉戏手柄。参考文献1)YUFINSA.Gcoccologyandcomputers：proceedingsoftheThirdInternationalConferenceonAdvancesofComputerMethodsinGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,Moscow,Russia,February1-4,2000C.Rotterdam:A.A.Balkema,2000.昂温G,昂温PS.外国出版史M.陈生铮，译.北京：中国书籍出版社,1988.I3J全国文献工作标准化技术委员会笫七分委员会GBT5795-1986中国标准书号S北京：中国标准出版社，1986.