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1、傳感器技術(shù) 加速度傳感器,MEMS,目錄,Group 3,篇前語,MEMS是什么？加速度傳感器與MEMS什么關(guān)系？ 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機(jī)械系統(tǒng) 微機(jī)電系統(tǒng)是集微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微電源微能源、信號(hào)處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統(tǒng)。,Group 3,概述,,,加速度傳感器,加速度傳感器中的分類,,,加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力就是 當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也 就是重力。加速力可以是個(gè)常量，比如g，也可以是變量。加
2、速度計(jì)有兩種：一種是角加速度計(jì)，是由陀螺儀（角速度傳 感器）的改進(jìn)的。另一種就是線加速度計(jì)。,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、伺服式等。,Group 3,壓阻式加速度傳感器,,壓阻式壓阻式器件是最早微型化和商業(yè)化的一類加速度傳感器?；谑澜珙I(lǐng)先的MEMS硅微加工技術(shù)，壓阻式加速度傳感器具有體積小、低功耗等特點(diǎn)，易于集成在各種模擬和數(shù)字電路中，廣泛應(yīng)用于汽車碰撞實(shí)驗(yàn)、測試儀器、設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測等領(lǐng)域。,Group 3,壓阻式加速度傳感器,,,作用機(jī)理,特點(diǎn),,,壓阻式加速度傳感器的懸臂梁上制作有壓敏電阻，當(dāng)慣性質(zhì)量 塊發(fā)生位移時(shí)，會(huì)引起懸臂梁的伸長或壓縮，改變梁
3、上的應(yīng)力 分布，進(jìn)而影響壓敏電阻的阻值.壓阻電阻多位于應(yīng)力變化最明 顯的部位。這樣，通過兩個(gè)或四個(gè)壓敏電阻形成的電橋就可實(shí) 現(xiàn)加速度的測量。,壓阻式加速度傳感器低頻信號(hào)好、可測量直流信號(hào)、輸入阻抗 低、且工作溫度范圍寬，同時(shí)它的后處理電路簡單、體積小、 質(zhì)量輕。,Group 3,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來測得加速度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
4、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。,Group 3,,構(gòu)造原理,壓阻式加速度傳感器,,懸臂梁根部的橫向受力：,Group 3,懸臂梁的電阻的相對變化率：,質(zhì)量塊的質(zhì)量m、 懸臂梁的寬度和厚度b,h、質(zhì)量塊中心至懸臂梁根部的距離l、 加速度a.,,,懸臂梁分析,壓阻式加速度傳感器,,Group 3,,信號(hào)檢測,,本系統(tǒng)的信號(hào)檢測電路采用壓阻全橋來作為信號(hào)檢測電路。,則電橋輸出的表達(dá)式變?yōu)?,壓阻式加速度傳感器,,為加工出圖示的加速度傳感器,主
5、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)。,Group 3,,工藝流程,壓阻式加速度傳感器,硅微機(jī)械加工技術(shù)是在傳統(tǒng)的集成電路平面工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是常規(guī)集成電路工藝和硅微機(jī)械加工的獨(dú)特技術(shù)的結(jié)合。這些獨(dú)特的加工技術(shù)與常規(guī)集成電路工藝相結(jié)合，才能制作出微電子機(jī)械系統(tǒng)。微機(jī)械加工技術(shù)一般分為體硅微機(jī)械加工技術(shù)、表面硅微機(jī)械加工技術(shù)和LIGA技術(shù)三類。,Group 3,,工藝流程,壓阻式加速度傳感器,(a)在硅片兩側(cè)積淀氮化硅。 (b)在硅片的前側(cè)積淀
6、第一層多晶硅犧牲層，然后制作第一層。 (c)在硅片的前側(cè)積淀第二層氮化硅，并在硅片后側(cè)積淀第一層氮化硅。 (d)制作前側(cè)和后側(cè)。 (e)積淀并制作金屬層（鎳）。 (f)各向異性腐蝕來得到溝槽。,Group 3,,工藝流程,電容式加速度傳感器,,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。,Group 3,電容式加速度傳感器,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)。根據(jù)牛頓第二
7、定律可得力學(xué)模型為：,Group 3,,力學(xué)模型,其中傳感器無阻尼自振角頻率、傳感器阻尼比分別為： 對其進(jìn)行零初始條件下的拉普拉斯變換,可得傳遞函數(shù)為： 可見,如果將傳感器的殼體固定在載體上,只要能把質(zhì)量塊在敏感軸方向相對殼體的位移測出來,便可以把它作為加速度的間接度量。,,壓阻式加速度傳感器,,Group 3,,數(shù)學(xué)模型,,電容式加速度傳感器可簡化為如圖所示的模型，相當(dāng)于兩個(gè)電容串聯(lián)，建立方程得到電容變化與加速度之間的關(guān)系為,質(zhì)量塊由于加速度造成的微小位移可轉(zhuǎn)化為差動(dòng)電容的變化，并且兩電容的差值與位移量成正比。從而可以測得加速度。,壓阻式加速度傳感器,當(dāng)前大多數(shù)的電容式加速度傳感器都是由三
8、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。如圖一所示， 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。基本結(jié)構(gòu)選擇需要考慮的條件是：量程、剛性約束條件、彈性約束條件、諧振頻率約束。對于梁的選擇一般是選擇U形折疊梁，即可保證其一定的剛度又可以節(jié)省材料。為實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)常采用止擋塊結(jié)構(gòu)來限制敏感質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)的最大位移。常用材料是二氧化硅,Group 3,,工藝構(gòu)造,壓阻式加速度傳感器,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。下面介紹一下工藝流程：,Group 3,,工藝流程,（a）
9、確定上下極板間的電容間距 （b）用KOH對兩面的SiO2進(jìn)行濕法刻蝕 （c）等SiO2層被去除，新的氧化層會(huì)在兩面重新生成，繼續(xù)用KOH進(jìn)行濕法刻蝕直到SiO2層被完全去除,壓阻式加速度傳感器,Group 3,,工藝流程,（d）在兩面涂上光刻膠作為濕法刻蝕的梁結(jié)構(gòu) （e）去除光刻膠以后兩面重新被氧化生成SiO2，隨后再EVG-100覆蓋 （f）利用剩下的光刻膠進(jìn)行刻蝕然后移除光刻膠,壓阻式加速度傳感器,Group 3,,工藝流程,（g）等刻蝕完成，對稱梁結(jié)構(gòu)形成 （h）利用對稱結(jié)構(gòu)確認(rèn)中間梁位置 （i）上下兩層形成2m的SiO2對稱氧化層來隔絕上中下三層,壓阻式加速度傳感器,Group 3,,
10、工藝流程,（j）隨后通過梁結(jié)構(gòu)中間層與上下層連接 （K）控制480度的粘接溫度隨后在1100度下保存一小時(shí)。,其他類型的加速度傳感器,,,光波導(dǎo)式,新,,,微諧振式,諧振式加速度傳感器是一種典型的微機(jī)械慣性器件，基本工作原理是利用振梁的力頻特性，通過檢測諧振頻率變化量獲取輸入的加速度。,新,,,熱對流式,微型熱對流加速度計(jì)是利用封閉空氣囊內(nèi)的自由熱對流對加速度敏感性。兩個(gè)溫度傳感器對稱地在有氣體的腔體兩側(cè)，中間有一個(gè)熱源。,新,Group 3,目前廣泛應(yīng)用制備光學(xué)加速度計(jì)的邁克爾遜、馬赫曾德等干涉儀的核心部件都包含3 dB耦合器。,,,壓電式,壓電式加速度傳感器是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效
11、應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。,成熟,其他類型加速度傳感器,1.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的一束直接被探測器2探測，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，最終被探測器1探測到。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的正對面積減小，使探測器1探測到的光減弱。通過比較兩個(gè)探測器檢測到的信號(hào)即可求得加速度,Group 3,其他類型加速度傳感器,2.諧振式加速度計(jì) 諧振式加速度計(jì)，Silicon Oscillating Accelerometer，
12、簡稱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。若對梁施加一確定的激振，檢測其響應(yīng)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(yīng)的檢測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稱的一套機(jī)構(gòu),Group 3,其他類型加速度傳感器,3.熱對流加速度計(jì) 一個(gè)被放置在芯片中央的熱源在一個(gè)空
13、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。,Group 3,其他類型加速度傳感器,4.壓電式加速度計(jì) 壓電式加速度計(jì)利用了壓電效應(yīng)，通過測量壓電材料兩級(jí)的電勢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。,Group 3,MEMS壓電式加速度計(jì) 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,都是懸臂梁末端加質(zhì)量塊的震動(dòng)系統(tǒng)，二者差別在于鍍在梁上的材料不同，壓電式加速度計(jì)自然只要鍍上壓電材料，而非壓阻材料。, THATS ALL,Thank You !,MEMS,
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