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， 中(zhong)間(jian)的(de)活(huo)動(dong)電(dian)容(rong)極(ji)板(ban)是(shi)由(you)八(ba)個(ge)彎(wan)曲(qu)彈(dan)性(xing)連(lian)接(jie)梁(liang)所(suo)支(zhi)撐(cheng)，夾(jia)在(zai)上(shang)下(xia)層(ceng)兩(liang)塊(kuai)固(gu)定(ding)的(de)電(dian)容(rong)極(ji)板(ban)之(zhi)間(jian)。提(ti)高(gao)精(jing)度(du)很(hen)重(zhong)要(yao)的(de)一(yi)項(xiang)措(cuo)施(shi)就(jiu)是(shi)采(cai)用(yong)差(cha)動(dong)測(ce)量(liang)方(fang)式(shi)，極(ji)大(da)地(di)提(ti)高(gao)了(le)信(xin)噪(zao)比(bi)。因(yin)此(ci)，電(dian)容(rong)式(shi)MEMS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、多duo晶jing矽gui等deng等deng
，具ju體ti哪na種zhong材cai料liao用yong於yu哪na一yi部bu分fen不bu是shi固gu定ding的de，需xu要yao在zai設she計ji過guo程cheng中zhong根gen據ju其qi物wu理li化hua學xue性xing質zhi以yi及ji在zai加jia速su度du計ji中zhong的de作zuo用yong加jia以yi綜zong合he考kao慮lv。因yin為wei該gai傳chuan感gan器qi動dong態tai要yao求qiu比bi較jiao高gao ，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。

 

yigenqinxianbengjinchengdubutongshidanzouchudeshengyinpinlvyebutong，xiezhenshijiasudujideyuanliyucixiangtong。zhenliangyiduanguding，lingyiduanlianjieyizhiliangkuai，dangzhenliangzhouxianfangxiangyoujiasudushilianghuishoudaozhouxianfangxiangdeli，liangzhongzhanglibianhua，qiguyoupinlvyexiangyingfashengbianhua。ruoduiliangshijiayiquedingdejizhen，jianceqixiangyingjiukecechuqiguyoupinlv，jinercechujiasudu。jizhendeshijiahexiangyingdejiancetongchangdoushitongguoshuchijigoushixiande。

 

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

 

熱re對dui流liu加jia速su度du的de原yuan理li與yu其qi他ta加jia速su度du計ji有you根gen本ben上shang的de區qu別bie，其qi他ta加jia速su度du計ji的de原yuan理li都dou是shi建jian立li在zai一yi個ge二er階jie係xi統tong的de基ji礎chu之zhi上shang
，而er熱re對dui流liu加jia速su度du計ji采cai用yong的de是shi完wan全quan不bu同tong的de原yuan理li。

 

yigebeifangzhizaixinpianzhongyangdereyuanzaiyigekongqiangzhongchanshengyigexuanfudereqituan，tongshiyoulvheduojingguizuchengderedianouzubeidengjuliduichengdifangzhizaireyuandesigefangxiang。zaiweishoudaojiasuduhuoshuipingfangzhishi
，wendudexiajiangdoudushiyireyuanweizhongxinwanquanduichengde。cishisuoyousigeredianouzuyinganyingwenduerchanshengdedianyashixiangtongde（見下圖）。youyuziyouduiliurechangdechuandixing，renhefangxiangdejiasududouhuiraoluanrechangdelunkuo，congerdaozhiqibuduicheng。cishisigeredianouzudeshuchudianyahuichuxianchayi，erredianouzushuchudianyadechayishizhijieyusuoganyingdejiasuduchengbilide。zaijiasuduchuanganqineibuyouliangtiaowanquanxiangtongdejiasuduxinhaochuanshulujing：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

 

壓ya電dian式shi加jia速su度du計ji的de數shu學xue和he物wu理li模mo型xing與yu壓ya阻zu式shi和he電dian容rong式shi的de加jia速su度du計ji類lei似si，都dou是shi通tong過guo測ce量liang二er階jie係xi統tong中zhong質zhi量liang塊kuai的de位wei移yi來lai間jian接jie測ce量liang加jia速su度du

，三san者zhe的de差cha別bie就jiu是shi在zai於yu測ce量liang這zhe個ge質zhi量liang塊kuai位wei移yi的de方fang法fa。

 

yadianshijiasudujiliyongleyadianxiaoying
，huozhegengqueqiedishuo，shiliyonglezhengyadianxiaoying
，jimouxiedianjiezhizaiyanyidingfangxiangshangshoudaowailidezuoyongerbianxingshiqineibuchanshengjihuaxianxiang，tongshizaitadelianggexiangduibiaomianshangchuxianzhengfuxiangfandedianhe。tongguoceliangyadiancailiaoliangjidedianshichajikeqiudeqixingbianyadianyuanlizaihongguanchidudejiasudujizhongyingyongpoweiguangfan，zheleijiasudujidegouzaoduoweijizuohezhiliangkuaizhijianjiayiyazucailiao（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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