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
，易於實現數字化、智能化以及批量生產


，因而從問世起就引起了廣泛關注,並且在汽車

、醫藥
、導航和控製、生化分析
、工(gong)業(ye)檢(jian)測(ce)等(deng)方(fang)麵(mian)得(de)到(dao)了(le)較(jiao)為(wei)迅(xun)速(su)的(de)應(ying)用(yong)。其(qi)中(zhong)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)就(jiu)是(shi)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)的(de)例(li)子(zi)之(zhi)一(yi)。加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)原(yuan)理(li)隨(sui)其(qi)應(ying)用(yong)而(er)不(bu)同(tong)
，有(you)壓(ya)阻(zu)式(shi)，電(dian)容(rong)式(shi)，壓(ya)電(dian)式(shi)，諧(xie)振(zhen)式(shi)等(deng)。

 

 

本文通過不同加速度傳感器的原理、製作工藝及應用展開，能夠使之更加全麵了解加速度傳感器。

 

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
、質量塊、固定框組成。壓阻式加速度傳感器實質上是一個力傳感器
，他是利用用測量固定質量塊在受到加速度作用時產生的力F來測得加速度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。也就是說當有加速度a作用於傳感器時
，傳感器的慣性質量塊便會產生一個慣性力:F=ma,此慣性力F作用於傳感器的彈性梁上，便會產生一個正比於F的應變。
，此時彈性梁上的壓敏電阻也會隨之產生一個變化量△R，由壓敏電阻組成的惠斯通電橋輸出一個與△R成正比的電壓信號V。

 

 

壓阻式加速度傳感器的原理

 

本係統的信號檢測電路采用壓阻全橋來作為信號檢測電路。

 

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、製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為:

 

敏感原理

 

采cai用yong的de是shi壓ya阻zu式shi信xin號hao檢jian測ce原yuan理li
，其qi核he心xin是shi半ban導dao體ti材cai料liao的de壓ya阻zu效xiao應ying。壓ya阻zu效xiao應ying是shi指zhi當dang材cai料liao受shou到dao外wai加jia機ji械xie應ying力li時shi，材cai料liao的de體ti電dian阻zu率lv發fa生sheng變bian化hua的de材cai料liao性xing能neng。晶jing體ti結jie構gou的de形xing變bian破po壞huai了le能neng帶dai結jie構gou，從cong而er改gai變bian了le電dian子zi遷qian移yi率lv和he載zai流liu子zi密mi度du，使shi材cai料liao的de電dian阻zu率lv或huo電dian導dao發fa生sheng變bian化hua。一yi根gen金jin屬shu電dian阻zu絲si，在zai其qi未wei受shou力li時shi，原yuan始shi電dian阻zu值zhi為wei：

 

式中，電阻絲的電阻率;電阻絲的長度;電阻絲的截麵積。

 

當電阻絲受到拉力作用時，將伸長
，橫截麵積相應減少,電阻率則因晶格發生變形等因素的影響而改變，故引起電阻值變化。對全微分，並用相對變化量來表示，則有

 

 

壓阻係數

 

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

 

壓阻效應的強弱可以用壓阻係數來表征。壓阻係數π被(bei)定(ding)義(yi)為(wei)單(dan)位(wei)應(ying)力(li)作(zuo)用(yong)下(xia)電(dian)阻(zu)率(lv)的(de)相(xiang)對(dui)變(bian)化(hua)。壓(ya)阻(zu)效(xiao)應(ying)有(you)各(ge)向(xiang)異(yi)性(xing)特(te)征(zheng)，沿(yan)不(bu)同(tong)的(de)方(fang)向(xiang)施(shi)加(jia)應(ying)力(li)和(he)沿(yan)不(bu)同(tong)方(fang)向(xiang)通(tong)過(guo)電(dian)流(liu)，其(qi)電(dian)阻(zu)率(lv)變(bian)化(hua)會(hui)不(bu)相(xiang)同(tong)。晶(jing)軸(zhou)坐(zuo)標(biao)係(xi)壓(ya)阻(zu)係(xi)數(shu)的(de)矩(ju)陣(zhen)可(ke)寫(xie)成(cheng)

 

 

 

MEMS壓阻式加速度傳感器製造工藝

 

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現。采用注入

、推進
、氧化的創新工藝來製作壓敏電阻
；采用KHO各向異性深腐蝕來形成質量塊；並使用AES來釋放梁和質量塊；最後利用鍵合工藝來得到所需的“三明治”結構。

 

 

（使用的是400μm厚
、N型(100)晶向
、電阻率p=2-4Ω的雙麵拋光矽片。）

 

結構部分工藝步驟：

 

 

矽帽部分工藝步驟：

 

 

 

 

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，在工業領域有著廣泛的應用，例如發動機，數控車床等等。它具有電路結構簡單
，頻率範圍寬約為0～450Hz
，線性度小於1%，靈ling敏min度du高gao，輸shu出chu穩wen定ding，溫wen度du漂piao移yi小xiao，測ce量liang誤wu差cha小xiao，穩wen態tai響xiang應ying
，輸shu出chu阻zu抗kang低di，輸shu出chu電dian量liang與yu振zhen動dong加jia速su度du的de關guan係xi式shi簡jian單dan方fang便bian易yi於yu計ji算suan等deng優you點dian，具ju有you較jiao高gao的de實shi際ji應ying用yong價jia值zhi。

 

電容式加速度傳感器原理

 

電容式加速度傳感器是基於電容原理的極距變化型的電容傳感器，其中一個電極是固定的，另一變化電極是彈性膜片。彈性膜片在外力(氣壓
、液壓等)作用下發生位移，使電容量發生變化。這種傳感器可以測量氣流(或液流)的振動速度(或加速度)，還可以進一步測出壓力。

 

電容器加速度傳感器力學模型

 

電容式加速度傳感器從力學角度可以看成是一個質量—彈簧—阻尼係統，加速度通過質量塊形成慣性力作用於係統，如圖一所示。

 

 

 

 

電容式加速度傳感器數學模型

 

 

 

 

 

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矽晶體圓片構成的，中層是由雙層的SOI矽片製成的活動電容極板。如圖所示， zhongjiandehuodongdianrongjibanshiyoubagewanqudanxinglianjieliangsuozhicheng
，jiazaishangxiacengliangkuaigudingdedianrongjibanzhijian。tigaojingduhenzhongyaodeyixiangcuoshijiushicaiyongchadongceliangfangshi
，jidaditigaolexinzaobi。yinci，dianrongshiMEMS加速度傳感器幾乎全部采用差動結構。

 

 

 

材料的選擇

 

MEMSjiasudujiyongdaodecailiaobijiaoduo，butongdebufenhenyoukenengcaiyongbutongdecailiao。liruyongyuzuochendidechendicailiao，yongyuzuoyanmodeyanmocailiao，yongyubiaomianweijiagongdexishengcengcailiaodengdeng。weijiasudujichangyongdecailiaoyoudanjinggui、二氧化矽、碳化矽、氮化矽、duojingguidengdeng，jutinazhongcailiaoyongyunayibufenbushigudingde，xuyaozaishejiguochengzhonggenjuqiwulihuaxuexingzhiyijizaijiasudujizhongdezuoyongjiayizonghekaolv。yinweigaichuanganqidongtaiyaoqiubijiaogao ，因此在進行完結構設計
，得到結構的尺 寸以後，進行有限元分析是必不可少的。

 

運用有限元分析軟件ANSYS對加速度計模型進行分析，可以得到下麵的結果 ：

 

(1)進行靜力分析，可以發現承受應力最大的部位。

 

(2)進行模態分析，可以得到結構的固有頻率和各固有頻率下的振型。

 

(3)進行瞬態動力學分析，可以得到結構對外界激勵的響應。

 

通過以上有限元分析的結果，可以進一步改進設計
，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：表麵工藝、體矽工藝
、LIGA工藝及 SOI+DRIE工藝等。如表 3對這幾種工藝進行了對比。

 

biaomiangongyishizaijichengdianlupingmiangongyijichushangfazhanqilaideyizhongweigongyi
，zhijinxingdanmianguangke。taliyongguipingmianshangbutongcailiaodeshunxudianjihexuanzefushilaixingchenggezhongweijiegou。zhuyaobaokuoxishengcengdianji、犧牲層刻蝕、結構層澱積、結構層刻蝕、犧牲層去除(釋放結構)等。最後使結構材料懸空於基片之上，形成各種形狀的二維或三維結構。

 

體(ti)矽(gui)工(gong)藝(yi)是(shi)指(zhi)沿(yan)著(zhe)矽(gui)襯(chen)底(di)的(de)厚(hou)度(du)方(fang)向(xiang)對(dui)矽(gui)襯(chen)底(di)進(jin)行(xing)刻(ke)蝕(shi)的(de)工(gong)藝(yi)，包(bao)括(kuo)濕(shi)法(fa)刻(ke)蝕(shi)和(he)幹(gan)法(fa)刻(ke)蝕(shi)，是(shi)實(shi)現(xian)三(san)維(wei)結(jie)構(gou)的(de)重(zhong)要(yao)方(fang)法(fa)。為(wei)了(le)形(xing)成(cheng)完(wan)整(zheng)的(de)微(wei)結(jie)構(gou)
，往(wang)往(wang)在(zai)加(jia)工(gong)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)用(yong)到(dao)鍵(jian)合(he)或(huo)粘(zhan)接(jie)技(ji)術(shu)，將(jiang)矽(gui)的(de)鍵(jian)合(he)技(ji)術(shu)和(he)體(ti)矽(gui)加(jia)工(gong)方(fang)法(fa)結(jie)合(he)起(qi)來(lai)。矽(gui)的(de)微(wei)結(jie)構(gou)經(jing)過(guo)多(duo)次(ci)掩(yan)膜(mo)、單(dan)麵(mian)或(huo)雙(shuang)麵(mian)光(guang)刻(ke)以(yi)及(ji)各(ge)向(xiang)異(yi)性(xing)刻(ke)蝕(shi)等(deng)工(gong)藝(yi)而(er)成(cheng)，然(ran)後(hou)將(jiang)有(you)關(guan)部(bu)分(fen)精(jing)密(mi)對(dui)準(zhun)鍵(jian)合(he)成(cheng)一(yi)整(zheng)體(ti)。體(ti)矽(gui)加(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)過(guo)程(cheng)比(bi)矽(gui)表(biao)麵(mian)加(jia)工(gong)複(fu)雜(za)，體(ti)積(ji)大(da)
，成(cheng)本(ben)高(gao)。

 

SO1+DRIE工藝是體矽工藝的一種延伸與發展。利用絕緣體上矽(SOI)製造單晶矽三維微 結構是最近幾年發展異常迅速的方法。利用SOI製造微結構的方法幾乎都是利用DINE(深反應離子刻蝕)對單晶矽進行深刻蝕。根據結構的不同、性能要求等可采用正麵結構釋放和背麵結構釋放。

 

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進入
，經過分束部分後分成兩部分分別通入波導4和波導2，進入波導4的一束直接被探測器2探測，而進入波導2的一束會經過一段微小的間隙後進入波導3，最終被探測器1探測到。有加速度時，質量塊會使得波導2彎曲，進而導至其與波導3的正對麵積減小
，使探測器1探測到的光減弱。通過比較兩個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，簡稱SOA。

 

一yi根gen琴qin弦xian繃beng緊jin程cheng度du不bu同tong時shi彈dan奏zou出chu的de聲sheng音yin頻pin率lv也ye不bu同tong

，諧xie振zhen式shi加jia速su度du計ji的de原yuan理li與yu此ci相xiang同tong。振zhen梁liang一yi端duan固gu定ding，另ling一yi端duan鏈lian接jie一yi質zhi量liang塊kuai，當dang振zhen梁liang軸zhou線xian方fang向xiang有you加jia速su度du時shi梁liang會hui受shou到dao軸zhou線xian方fang向xiang的de力li，梁liang中zhong張zhang力li變bian化hua，其qi固gu有you頻pin率lv也ye相xiang應ying發fa生sheng變bian化hua。若ruo對dui梁liang施shi加jia一yi確que定ding的de激ji振zhen，檢jian測ce其qi響xiang應ying就jiu可ke測ce出chu其qi固gu有you頻pin率lv
，進jin而er測ce出chu加jia速su度du。激ji振zhen的de施shi加jia和he響xiang應ying的de檢jian測ce通tong常chang都dou是shi通tong過guo梳shu齒chi機ji構gou實shi現xian的de。

 

SOA的特點在於，它是通過改變二階係統本身的特性來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式就是在質量塊的另一半加上和左邊對稱的一套機構。DEFT是目前SOA的主流結構。

 

 

熱對流加速度計

 

reduiliujiasududeyuanliyuqitajiasudujiyougenbenshangdequbie
，qitajiasudujideyuanlidoushijianlizaiyigeerjiexitongdejichuzhishang，erreduiliujiasudujicaiyongdeshiwanquanbutongdeyuanli。

 

一yi個ge被bei放fang置zhi在zai芯xin片pian中zhong央yang的de熱re源yuan在zai一yi個ge空kong腔qiang中zhong產chan生sheng一yi個ge懸xuan浮fu的de熱re氣qi團tuan
，同tong時shi由you鋁lv和he多duo晶jing矽gui組zu成cheng的de熱re電dian偶ou組zu被bei等deng距ju離li對dui稱cheng地di放fang置zhi在zai熱re源yuan的de四si個ge方fang向xiang。在zai未wei受shou到dao加jia速su度du或huo水shui平ping放fang置zhi時shi
，溫wen度du的de下xia降jiang陡dou度du是shi以yi熱re源yuan為wei中zhong心xin完wan全quan對dui稱cheng的de。此ci時shi所suo有you四si個ge熱re電dian偶ou組zu因yin感gan應ying溫wen度du而er產chan生sheng的de電dian壓ya是shi相xiang同tong的de（見下圖）。由you於yu自zi由you對dui流liu熱re場chang的de傳chuan遞di性xing

，任ren何he方fang向xiang的de加jia速su度du都dou會hui擾rao亂luan熱re場chang的de輪lun廓kuo
，從cong而er導dao致zhi其qi不bu對dui稱cheng。此ci時shi四si個ge熱re電dian偶ou組zu的de輸shu出chu電dian壓ya會hui出chu現xian差cha異yi，而er熱re電dian偶ou組zu輸shu出chu電dian壓ya的de差cha異yi是shi直zhi接jie與yu所suo感gan應ying的de加jia速su度du成cheng比bi例li的de。在zai加jia速su度du傳chuan感gan器qi內nei部bu有you兩liang條tiao完wan全quan相xiang同tong的de加jia速su度du信xin號hao傳chuan輸shu路lu徑jing：一條是用於測量X軸上所感應的加速度
，另一條則用於測量Y軸上所感應的加速度。

 

 

由(you)於(yu)熱(re)對(dui)流(liu)加(jia)速(su)度(du)計(ji)中(zhong)沒(mei)有(you)可(ke)運(yun)動(dong)的(de)質(zhi)量(liang)塊(kuai)，所(suo)以(yi)其(qi)製(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)相(xiang)對(dui)簡(jian)單(dan)，也(ye)比(bi)較(jiao)容(rong)易(yi)加(jia)工(gong)，而(er)且(qie)其(qi)抗(kang)衝(chong)擊(ji)性(xing)能(neng)非(fei)常(chang)好(hao)
，可(ke)抗(kang)五(wu)萬(wan)倍(bei)重(zhong)力(li)加(jia)速(su)度(du)的(de)加(jia)速(su)度(du)。但(dan)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)對(dui)熱(re)對(dui)流(liu)加(jia)速(su)度(du)計(ji)的(de)影(ying)響(xiang)較(jiao)大(da)，而(er)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)會(hui)導(dao)致(zhi)零(ling)點(dian)漂(piao)移(yi)；同時熱對流加速度計的頻響範圍低

，通常是小於35Hz。

 

壓電式加速度計

 

yadianshijiasudujideshuxuehewulimoxingyuyazushihedianrongshidejiasudujileisi，doushitongguoceliangerjiexitongzhongzhiliangkuaideweiyilaijianjieceliangjiasudu，sanzhedechabiejiushizaiyuceliangzhegezhiliangkuaiweiyidefangfa。

 

壓ya電dian式shi加jia速su度du計ji利li用yong了le壓ya電dian效xiao應ying
，或huo者zhe更geng確que切qie地di說shuo，是shi利li用yong了le正zheng壓ya電dian效xiao應ying，即ji某mou些xie電dian介jie質zhi在zai沿yan一yi定ding方fang向xiang上shang受shou到dao外wai力li的de作zuo用yong而er變bian形xing時shi其qi內nei部bu產chan生sheng極ji化hua現xian象xiang，同tong時shi在zai它ta的de兩liang個ge相xiang對dui表biao麵mian上shang出chu現xian正zheng負fu相xiang反fan的de電dian荷he。通tong過guo測ce量liang壓ya電dian材cai料liao兩liang級ji的de電dian勢shi差cha即ji可ke求qiu得de其qi形xing變bian壓ya電dian原yuan理li在zai宏hong觀guan尺chi度du的de加jia速su度du計ji中zhong應ying用yong頗po為wei廣guang泛fan
，這zhe類lei加jia速su度du計ji的de構gou造zao多duo為wei基ji座zuo和he質zhi量liang塊kuai之zhi間jian夾jia一yi壓ya阻zu材cai料liao（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似（如下圖），都是懸臂梁末端加質量塊的震動係統，二者差別在於鍍在梁上的材料不同
，壓電式加速度計自然隻要鍍上壓電材料，而非壓阻材料。

 

 

本文轉載自傳感器技術。

 

 

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