MEMS加速度傳感器的原理與構(gòu)造介紹

隨著硅微機(jī)械加工技術(shù)(MEMS)的迅猛發(fā)展,各種基于MEMS技術(shù)的器件也應(yīng)運(yùn)而生,目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的就有壓力傳感器、加速度傳感器、光開關(guān)等等,它們有著體積小、質(zhì)量輕、成本低、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)，而且因?yàn)槠浼庸すに囈欢ǔ潭壬吓c傳統(tǒng)的集成電路工藝兼容，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化以及批量生產(chǎn)，因而從問世起就引起了廣泛關(guān)注,并且在汽車、醫(yī)藥、導(dǎo)航和控制、生化分析、工業(yè)檢測(cè)等方面得到了較為迅速的應(yīng)用。其中加速度傳感器就是廣泛應(yīng)用的例子之一。加速度傳感器的原理隨其應(yīng)用而不同，有壓阻式，電容式，壓電式，諧振式等。

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(cè)量固定質(zhì)量塊在受到加速度作用時(shí)產(chǎn)生的力F來測(cè)得加速度a的。在目前研究尺度內(nèi)，可以認(rèn)為其基本原理仍遵從牛頓第二定律。也就是說當(dāng)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(yīng)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(hào)V。

壓阻式加速度傳感器的原理

本系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)電路采用壓阻全橋來作為信號(hào)檢測(cè)電路。

電橋采用恒壓源供電，橋壓為。設(shè)、為正應(yīng)變電阻，、為負(fù)應(yīng)變電阻，則電橋的輸出表達(dá)式為:

我們?cè)?a target="_blank">電阻布局設(shè)計(jì)、制造工藝都保證壓敏電阻的一致性，因此可以認(rèn)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(dá)式變?yōu)?

敏感原理

采用的是壓阻式信號(hào)檢測(cè)原理，其核心是半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)是指當(dāng)材料受到外加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，材料的體電阻率發(fā)生變化的材料性能。晶體結(jié)構(gòu)的形變破壞了能帶結(jié)構(gòu)，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(dǎo)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(zhǎng)度;電阻絲的截面積。

當(dāng)電阻絲受到拉力作用時(shí)，將伸長(zhǎng)?，橫截面積相應(yīng)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(duì)全微分，并用相對(duì)變化量來表示，則有

壓阻系數(shù)

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

壓阻效應(yīng)的強(qiáng)弱可以用壓阻系數(shù)來表征。壓阻系數(shù)π被定義為單位應(yīng)力作用下電阻率的相對(duì)變化。壓阻效應(yīng)有各向異性特征，沿不同的方向施加應(yīng)力和沿不同方向通過電流，其電阻率變化會(huì)不相同。晶軸坐標(biāo)系壓阻系數(shù)的矩陣可寫成

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實(shí)現(xiàn)。采用注入、推進(jìn)、氧化的創(chuàng)新工藝來制作壓敏電阻；采用KHO各向異性深腐蝕來形成質(zhì)量塊；并使用AES來釋放梁和質(zhì)量塊；最后利用鍵合工藝來得到所需的“三明治”結(jié)構(gòu)。

（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(jié)構(gòu)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)域有著廣泛的應(yīng)用，例如發(fā)動(dòng)機(jī)，數(shù)控車床等等。它具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻率范圍寬約為0～450Hz，線性度小于1%，靈敏度高，輸出穩(wěn)定，溫度漂移小，測(cè)量誤差小，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，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(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)際應(yīng)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(cè)量氣流(或液流)的振動(dòng)速度(或加速度)，還可以進(jìn)一步測(cè)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(tǒng)，加速度通過質(zhì)量塊形成慣性力作用于系統(tǒng)，如圖一所示。

電容式加速度傳感器數(shù)學(xué)模型

電容式加速度傳感器的構(gòu)造

當(dāng)前大多數(shù)的電容式加速度傳感器都是由三部分硅晶體圓片構(gòu)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(xiàng)措施就是采用差動(dòng)測(cè)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(jié)構(gòu)。

材料的選擇

MEMS加速度計(jì)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(jì)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(shè)計(jì)過程中根據(jù)其物理化學(xué)性質(zhì)以及在加速度計(jì)中的作用加以綜合考慮。因?yàn)樵搨鞲衅鲃?dòng)態(tài)要求比較高 ，因此在進(jìn)行完結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到結(jié)構(gòu)的尺 寸以后，進(jìn)行有限元分析是必不可少的。

運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)加速度計(jì)模型進(jìn)行分析，可以得到下面的結(jié)果 ：

(1)進(jìn)行靜力分析，可以發(fā)現(xiàn)承受應(yīng)力最大的部位。

(2)進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對(duì)外界激勵(lì)的響應(yīng)。

通過以上有限元分析的結(jié)果，可以進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，使所設(shè)計(jì)的加速度計(jì)具有更好的性能 。

工藝的選擇

電容式MEMS加速度計(jì)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(duì)這幾種工藝進(jìn)行了對(duì)比。

表面工藝是在集成電路平面工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種微工藝，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形成各種微結(jié)構(gòu)。主要包括犧牲層淀積、犧牲層刻蝕、結(jié)構(gòu)層淀積、結(jié)構(gòu)層刻蝕、犧牲層去除(釋放結(jié)構(gòu))等。最后使結(jié)構(gòu)材料懸空于基片之上，形成各種形狀的二維或三維結(jié)構(gòu)。

體硅工藝是指沿著硅襯底的厚度方向?qū)枰r底進(jìn)行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的重要方法。為了形成完整的微結(jié)構(gòu)，往往在加工的基礎(chǔ)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(jié)合起來。硅的微結(jié)構(gòu)經(jīng)過多次掩膜、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(duì)準(zhǔn)鍵合成一整體。體硅加工工藝過程比硅表面加工復(fù)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(jié)構(gòu)是最近幾年發(fā)展異常迅速的方法。利用SOI制造微結(jié)構(gòu)的方法幾乎都是利用DINE(深反應(yīng)離子刻蝕)對(duì)單晶硅進(jìn)行深刻蝕。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同、性能要求等可采用正面結(jié)構(gòu)釋放和背面結(jié)構(gòu)釋放。

光波導(dǎo)加速度計(jì)

光波導(dǎo)加速度計(jì)的原理如下圖所示：光源從波導(dǎo)1進(jìn)入，經(jīng)過分束部分后分成兩部分分別通入波導(dǎo)4和波導(dǎo)2，進(jìn)入波導(dǎo)4的一束直接被探測(cè)器2探測(cè)，而進(jìn)入波導(dǎo)2的一束會(huì)經(jīng)過一段微小的間隙后進(jìn)入波導(dǎo)3，最終被探測(cè)器1探測(cè)到。有加速度時(shí)，質(zhì)量塊會(huì)使得波導(dǎo)2彎曲，進(jìn)而導(dǎo)至其與波導(dǎo)3的正對(duì)面積減小，使探測(cè)器1探測(cè)到的光減弱。通過比較兩個(gè)探測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)即可求得加速度。

微諧振式加速度計(jì)

諧振式加速度計(jì)，Silicon Oscillating Accelerometer，簡(jiǎn)稱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(jì)的原理與此相同。振梁一端固定，另一端鏈接一質(zhì)量塊，當(dāng)振梁軸線方向有加速度時(shí)梁會(huì)受到軸線方向的力，梁中張力變化，其固有頻率也相應(yīng)發(fā)生變化。若對(duì)梁施加一確定的激振，檢測(cè)其響應(yīng)就可測(cè)出其固有頻率，進(jìn)而測(cè)出加速度。激振的施加和響應(yīng)的檢測(cè)通常都是通過梳齒機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。

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

SOA常見的結(jié)構(gòu)有S結(jié)構(gòu)和雙端固定音叉（Double-ended Tuning Fork，DETF）兩種。S結(jié)構(gòu)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(duì)稱的一套機(jī)構(gòu)。DEFT是目前SOA的主流結(jié)構(gòu)。

熱對(duì)流加速度計(jì)

熱對(duì)流加速度的原理與其他加速度計(jì)有根本上的區(qū)別，其他加速度計(jì)的原理都是建立在一個(gè)二階系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，而熱對(duì)流加速度計(jì)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(tuán)，同時(shí)由鋁和多晶硅組成的熱電偶組被等距離對(duì)稱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(duì)稱的。此時(shí)所有四個(gè)熱電偶組因感應(yīng)溫度而產(chǎn)生的電壓是相同的（見下圖）。由于自由對(duì)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(dǎo)致其不對(duì)稱。此時(shí)四個(gè)熱電偶組的輸出電壓會(huì)出現(xiàn)差異，而熱電偶組輸出電壓的差異是直接與所感應(yīng)的加速度成比例的。在加速度傳感器內(nèi)部有兩條完全相同的加速度信號(hào)傳輸路徑：一條是用于測(cè)量X軸上所感應(yīng)的加速度，另一條則用于測(cè)量Y軸上所感應(yīng)的加速度。

由于熱對(duì)流加速度計(jì)中沒有可運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊，所以其制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，也比較容易加工，而且其抗沖擊性能非常好，可抗五萬倍重力加速度的加速度。但環(huán)境溫度對(duì)熱對(duì)流加速度計(jì)的影響較大，而溫度變化會(huì)導(dǎo)致零點(diǎn)漂移；同時(shí)熱對(duì)流加速度計(jì)的頻響范圍低，通常是小于35Hz。

壓電式加速度計(jì)

壓電式加速度計(jì)的數(shù)學(xué)和物理模型與壓阻式和電容式的加速度計(jì)類似，都是通過測(cè)量二階系統(tǒng)中質(zhì)量塊的位移來間接測(cè)量加速度，三者的差別就是在于測(cè)量這個(gè)質(zhì)量塊位移的方法。

壓電式加速度計(jì)利用了壓電效應(yīng)，或者更確切地說，是利用了正壓電效應(yīng)，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(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。通過測(cè)量壓電材料兩級(jí)的電勢(shì)差即可求得其形變壓電原理在宏觀尺度的加速度計(jì)中應(yīng)用頗為廣泛，這類加速度計(jì)的構(gòu)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(jì)采用的結(jié)構(gòu)與壓阻式微加速度計(jì)類似（如下圖），都是懸臂梁末端加質(zhì)量塊的震動(dòng)系統(tǒng)，二者差別在于鍍?cè)诹荷系牟牧喜煌?，壓電式加速度?jì)自然只要鍍上壓電材料，而非壓阻材料。