而且因為其加工工藝一定程度上與傳統的集成電路工藝兼容，易于實(shí)現數字化、智能化以及批量生產(chǎn)，因而從問(wèn)世起就引起了廣泛關(guān)注,并且在汽車(chē)、醫藥、導航和控制、生化分析、工業(yè)檢測等方面得到了較為迅速的應用。其中加速度傳感器就是廣泛應用的例子之一。加速度傳感器的原理隨其應用而不同，有壓阻式，電容式，壓電式，諧振式等。

 

 

本文通過(guò)不同加速度傳感器的原理、制作工藝及應用展開(kāi)，能夠使之更加全面了解加速度傳感器。

 

壓阻式加速度傳感器

 

MEMS壓阻式加速度傳感器的敏感元件由彈性梁、質(zhì)量塊、固定框組成。壓阻式加速度傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)力傳感器，他是利用用測量固定質(zhì)量塊在受到加速度作用時(shí)產(chǎn)生的力F來(lái)測得加速度a的。在目前研究尺度內，可以認為其基本原理仍遵從牛頓第二定律。也就是說(shuō)當有加速度a作用于傳感器時(shí)，傳感器的慣性質(zhì)量塊便會(huì )產(chǎn)生一個(gè)慣性力:F=ma,此慣性力F作用于傳感器的彈性梁上，便會(huì )產(chǎn)生一個(gè)正比于F的應變。，此時(shí)彈性梁上的壓敏電阻也會(huì )隨之產(chǎn)生一個(gè)變化量△R，由壓敏電阻組成的惠斯通電橋輸出一個(gè)與△R成正比的電壓信號V。

 

 

壓阻式加速度傳感器的原理

 

本系統的信號檢測電路采用壓阻全橋來(lái)作為信號檢測電路。

 

電橋采用恒壓源供電，橋壓為。設、為正應變電阻，、為負應變電阻，則電橋的輸出表達式為:

 

 

我們在電阻布局設計、制造工藝都保證壓敏電阻的一致性，因此可以認為有的壓敏電阻和壓敏電阻的變化量都是相等的，即:

 

則電橋輸出的表達式變?yōu)?

 

敏感原理

 

采用的是壓阻式信號檢測原理，其核心是半導體材料的壓阻效應。壓阻效應是指當材料受到外加機械應力時(shí)，材料的體電阻率發(fā)生變化的材料性能。晶體結構的形變破壞了能帶結構，從而改變了電子遷移率和載流子密度，使材料的電阻率或電導發(fā)生變化。一根金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為：

 

式中，電阻絲的電阻率;電阻絲的長(cháng)度;電阻絲的截面積。

 

當電阻絲受到拉力作用時(shí)，將伸長(cháng)，橫截面積相應減少,電阻率則因晶格發(fā)生變形等因素的影響而改變，故引起電阻值變化。對全微分，并用相對變化量來(lái)表示，則有

 

 

壓阻系數

 

最常用的半導體電阻材料有硅和鍺，摻入雜質(zhì)可形成P型或N型半導體。其壓阻效應是因在外力作用下，原子點(diǎn)陣排列發(fā)生變化，導致載流子遷移率及濃度發(fā)生變化而形成的。由于半導體(如單晶硅)是各向異性材料，因此它的壓阻效應不僅與摻雜濃度、溫度和材料類(lèi)型有關(guān)，還與晶向有關(guān)。

 

壓阻效應的強弱可以用壓阻系數來(lái)表征。壓阻系數π被定義為單位應力作用下電阻率的相對變化。壓阻效應有各向異性特征，沿不同的方向施加應力和沿不同方向通過(guò)電流，其電阻率變化會(huì )不相同。晶軸坐標系壓阻系數的矩陣可寫(xiě)成

 

 

 

MEMS壓阻式加速度傳感器制造工藝

 

為加工出圖示的加速度傳感器,主要采用下列加工手段來(lái)實(shí)現。采用注入、推進(jìn)、氧化的創(chuàng )新工藝來(lái)制作壓敏電阻；采用KHO各向異性深腐蝕來(lái)形成質(zhì)量塊；并使用AES來(lái)釋放梁和質(zhì)量塊；最后利用鍵合工藝來(lái)得到所需的“三明治”結構。

 

 

（使用的是400μm厚、N型(100)晶向、電阻率p=2-4Ω的雙面拋光硅片。）

 

結構部分工藝步驟：

 

 

硅帽部分工藝步驟：

 

 

 

 

鍵合、劃片工藝步驟

 

 

電容式加速度傳感器

 

電容式加速度傳感器，在工業(yè)領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用，例如發(fā)動(dòng)機，數控車(chē)床等等。它具有電路結構簡(jiǎn)單，頻率范圍寬約為0～450Hz，線(xiàn)性度小于1%，靈敏度高，輸出穩定，溫度漂移小，測量誤差小，穩態(tài)響應，輸出阻抗低，輸出電量與振動(dòng)加速度的關(guān)系式簡(jiǎn)單方便易于計算等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)際應用價(jià)值。

 

電容式加速度傳感器原理

 

電容式加速度傳感器是基于電容原理的極距變化型的電容傳感器，其中一個(gè)電極是固定的，另一變化電極是彈性膜片。彈性膜片在外力(氣壓、液壓等)作用下發(fā)生位移，使電容量發(fā)生變化。這種傳感器可以測量氣流(或液流)的振動(dòng)速度(或加速度)，還可以進(jìn)一步測出壓力。

 

電容器加速度傳感器力學(xué)模型

 

電容式加速度傳感器從力學(xué)角度可以看成是一個(gè)質(zhì)量—彈簧—阻尼系統，加速度通過(guò)質(zhì)量塊形成慣性力作用于系統，如圖一所示。

 

 

 

 

電容式加速度傳感器數學(xué)模型

 

 

 

 

 

電容式加速度傳感器的構造

 

當前大多數的電容式加速度傳感器都是由三部分硅晶體圓片構成的，中層是由雙層的SOI硅片制成的活動(dòng)電容極板。如圖所示， 中間的活動(dòng)電容極板是由八個(gè)彎曲彈性連接梁所支撐，夾在上下層兩塊固定的電容極板之間。提高精度很重要的一項措施就是采用差動(dòng)測量方式，極大地提高了信噪比。因此，電容式MEMS加速度傳感器幾乎全部采用差動(dòng)結構。

 

 

 

材料的選擇

 

MEMS加速度計用到的材料比較多，不同的部分很有可能采用不同的材料。例如用于做襯底的襯底材料，用于做掩膜的掩膜材料，用于表面微加工的犧牲層材料等等。微加速度計常用的材料有單晶硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、多晶硅等等，具體哪種材料用于哪一部分不是固定的，需要在設計過(guò)程中根據其物理化學(xué)性質(zhì)以及在加速度計中的作用加以綜合考慮。因為該傳感器動(dòng)態(tài)要求比較高 ，因此在進(jìn)行完結構設計，得到結構的尺 寸以后，進(jìn)行有限元分析是必不可少的。

 

運用有限元分析軟件ANSYS對加速度計模型進(jìn)行分析，可以得到下面的結果 ：

 

(1)進(jìn)行靜力分析，可以發(fā)現承受應力最大的部位。

 

(2)進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到結構的固有頻率和各固有頻率下的振型。

 

(3)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，可以得到結構對外界激勵的響應。

 

通過(guò)以上有限元分析的結果，可以進(jìn)一步改進(jìn)設計，使所設計的加速度計具有更好的性能 。

 

工藝的選擇

 

電容式MEMS加速度計的工藝一般采用的有：表面工藝、體硅工藝、LIGA工藝及 SOI+DRIE工藝等。如表 3對這幾種工藝進(jìn)行了對比。

 

表面工藝是在集成電路平面工藝基礎上發(fā)展起來(lái)的一種微工藝，只進(jìn)行單面光刻。它利用硅平面上不同材料的順序淀積和選擇腐蝕來(lái)形成各種微結構。主要包括犧牲層淀積、犧牲層刻蝕、結構層淀積、結構層刻蝕、犧牲層去除(釋放結構)等。最后使結構材料懸空于基片之上，形成各種形狀的二維或三維結構。

 

體硅工藝是指沿著(zhù)硅襯底的厚度方向對硅襯底進(jìn)行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實(shí)現三維結構的重要方法。為了形成完整的微結構，往往在加工的基礎上用到鍵合或粘接技術(shù)，將硅的鍵合技術(shù)和體硅加工方法結合起來(lái)。硅的微結構經(jīng)過(guò)多次掩膜、單面或雙面光刻以及各向異性刻蝕等工藝而成，然后將有關(guān)部分精密對準鍵合成一整體。體硅加工工藝過(guò)程比硅表面加工復雜，體積大，成本高。

 

SO1+DRIE工藝是體硅工藝的一種延伸與發(fā)展。利用絕緣體上硅(SOI)制造單晶硅三維微 結構是最近幾年發(fā)展異常迅速的方法。利用SOI制造微結構的方法幾乎都是利用DINE(深反應離子刻蝕)對單晶硅進(jìn)行深刻蝕。根據結構的不同、性能要求等可采用正面結構釋放和背面結構釋放。

 

光波導加速度計

 

光波導加速度計的原理如下圖所示：光源從波導1進(jìn)入，經(jīng)過(guò)分束部分后分成兩部分分別通入波導4和波導2，進(jìn)入波導4的一束直接被探測器2探測，而進(jìn)入波導2的一束會(huì )經(jīng)過(guò)一段微小的間隙后進(jìn)入波導3，最終被探測器1探測到。有加速度時(shí)，質(zhì)量塊會(huì )使得波導2彎曲，進(jìn)而導至其與波導3的正對面積減小，使探測器1探測到的光減弱。通過(guò)比較兩個(gè)探測器檢測到的信號即可求得加速度。

 

 

微諧振式加速度計

 

諧振式加速度計，Silicon Oscillating Accelerometer，簡(jiǎn)稱(chēng)SOA。

 

一根琴弦繃緊程度不同時(shí)彈奏出的聲音頻率也不同，諧振式加速度計的原理與此相同。振梁一端固定，另一端鏈接一質(zhì)量塊，當振梁軸線(xiàn)方向有加速度時(shí)梁會(huì )受到軸線(xiàn)方向的力，梁中張力變化，其固有頻率也相應發(fā)生變化。若對梁施加一確定的激振，檢測其響應就可測出其固有頻率，進(jìn)而測出加速度。激振的施加和響應的檢測通常都是通過(guò)梳齒機構實(shí)現的。

 

SOA的特點(diǎn)在于，它是通過(guò)改變二階系統本身的特性來(lái)反映加速度的變化的，這區別與電容式、壓電式和光波導式的加速度計。

 

SOA常見(jiàn)的結構有S結構和雙端固定音叉（Double-ended Tuning Fork，DETF）兩種。S結構原理圖如下圖所示，DEFT式就是在質(zhì)量塊的另一半加上和左邊對稱(chēng)的一套機構。DEFT是目前SOA的主流結構。

 

 

熱對流加速度計

 

熱對流加速度的原理與其他加速度計有根本上的區別，其他加速度計的原理都是建立在一個(gè)二階系統的基礎之上，而熱對流加速度計采用的是完全不同的原理。

 

一個(gè)被放置在芯片中央的熱源在一個(gè)空腔中產(chǎn)生一個(gè)懸浮的熱氣團，同時(shí)由鋁和多晶硅組成的熱電偶組被等距離對稱(chēng)地放置在熱源的四個(gè)方向。在未受到加速度或水平放置時(shí)，溫度的下降陡度是以熱源為中心完全對稱(chēng)的。此時(shí)所有四個(gè)熱電偶組因感應溫度而產(chǎn)生的電壓是相同的（見(jiàn)下圖）。由于自由對流熱場(chǎng)的傳遞性，任何方向的加速度都會(huì )擾亂熱場(chǎng)的輪廓，從而導致其不對稱(chēng)。此時(shí)四個(gè)熱電偶組的輸出電壓會(huì )出現差異，而熱電偶組輸出電壓的差異是直接與所感應的加速度成比例的。在加速度傳感器內部有兩條完全相同的加速度信號傳輸路徑：一條是用于測量X軸上所感應的加速度，另一條則用于測量Y軸上所感應的加速度。

 

 

由于熱對流加速度計中沒(méi)有可運動(dòng)的質(zhì)量塊，所以其制造工藝相對簡(jiǎn)單，也比較容易加工，而且其抗沖擊性能非常好，可抗五萬(wàn)倍重力加速度的加速度。但環(huán)境溫度對熱對流加速度計的影響較大，而溫度變化會(huì )導致零點(diǎn)漂移；同時(shí)熱對流加速度計的頻響范圍低，通常是小于35Hz。

 

壓電式加速度計

 

壓電式加速度計的數學(xué)和物理模型與壓阻式和電容式的加速度計類(lèi)似，都是通過(guò)測量二階系統中質(zhì)量塊的位移來(lái)間接測量加速度，三者的差別就是在于測量這個(gè)質(zhì)量塊位移的方法。

 

壓電式加速度計利用了壓電效應，或者更確切地說(shuō)，是利用了正壓電效應，即某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)其內部產(chǎn)生極化現象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對表面上出現正負相反的電荷。通過(guò)測量壓電材料兩級的電勢差即可求得其形變壓電原理在宏觀(guān)尺度的加速度計中應用頗為廣泛，這類(lèi)加速度計的構造多為基座和質(zhì)量塊之間夾一壓阻材料（如下圖）。

 

 

而MEMS壓電式加速度計采用的結構與壓阻式微加速度計類(lèi)似（如下圖），都是懸臂梁末端加質(zhì)量塊的震動(dòng)系統，二者差別在于鍍在梁上的材料不同，壓電式加速度計自然只要鍍上壓電材料，而非壓阻材料。

 

 

本文轉載自傳感器技術(shù)。

 

 

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