MEMS加速度传感器的原理与构造

微系统设计与应用加速度传感器的原理与构造班 级：2012机自实验班指导教师：xxx小组成员：xxxxx大学机械工程学院二OO五年十一月摘 要随着硅微机械加工技术(MEMS)的迅猛发展,各种基于MEMS技术的器件也应运而生,目前已经得到广泛应用的就有压力传感器、加速度传感器、光开关等等,它们有着体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高等特点,而且因为其加工工艺一定程度上与传统的集成电路工艺兼容,易于实现数字化、智能化以及批量生产,因而从问世起就引起了广泛关注,并且在汽车、医药、导航和控制、生化分析、工业检测等方面得到了较为迅速的应用。其中加速度传感器就是广泛应用的例子之一。加速度传感器的原理随其应用而不同，有压阻式，电容式，压电式，谐振式等。本文着手于不同加速度传感器的原理、制作工艺及应用展开，能够使之更加全面了解加速度传感器。关键词：加速度传感器，压阻式，电容式，原理，构造目 录1 压阻式加速度传感器31.1 压阻式加速度传感器的组成31.2 压阻式加速度传感器的原理31.2.1 敏感原理41.2.2 压阻系数51.2.3 悬臂梁分析61.3 MEMS压阻式加速度传感器制造工艺71.3.1结构部分71.3.2硅帽部分91.3.3键合、划片102电容式加速度传感器102.1电容式加速度传感器原理102.1.1 电容器加速度传感器力学模型102.1.2电容式加速度传感器数学模型122.2电容式加速度传感器的构造132.2.1机械结构布局的选择与设计132.3.2材料的选择152.3.3工艺的选择162.3.4具体构造及加工工艺173 其他加速度传感器183.1 光波导加速度计183.2微谐振式加速度计183.3热对流加速度计193.4压电式加速度计204 加速度传感器的应用204.1原理204.2 功能21参 考 文 献211 压阻式加速度传感器压阻式器件是最早微型化和商业化的一类加速度传感器。这类加速度传感器的悬臂梁上制作有压敏电阻，当惯性质量块发生位移时:会引起悬臂梁的伸长或压缩，改变梁上的应力分布，进而影响压敏电阻的阻值.压阻电阻多位于应力变化最明显的部位。这样，通过两个或四个压敏电阻形成的电桥就可实现加速度的测量。其特点在于压阻式加速度传感器低频信号好、可测量直流信号、输入阻抗低、且工作温度范围宽，同时它的后处理电路简单、体积小、质量轻，因此在汽车、测振、航天、航空、航船等领域有广泛的应用。1.1 压阻式加速度传感器的组成MEMS压阻式加速度传感器的敏感元件由弹性梁、质量块、固定框组成。压阻式加速度传感器实质上是一个力传感器，他是利用用测量固定质量块在受到加速度作用时产生的力F来测得加速度a的。在目前研究尺度内，可以认为其基本原理仍遵从牛顿第二定律。也就是说当有加速度a作用于传感器时，传感器的惯性质量块便会产生一个惯性力:F=ma,此惯性力F作用于传感器的弹性梁上，便会产生一个正比于F的应变。，此时弹性梁上的压敏电阻也会随之产生一个变化量R，由压敏电阻组成的惠斯通电桥输出一个与R成正比的电压信号V。1.2 压阻式加速度传感器的原理本系统的信号检测电路采用压阻全桥来作为信号检测电路。电桥采用恒压源供电，桥压为。设、为正应变电阻，、为负应变电阻，则电桥的输出表达式为:我们在电阻布局设计、制造工艺都保证压敏电阻的一致性，因此可以认为有的压敏电阻和压敏电阻的变化量都是相等的，即:则电桥输出的表达式变为:1.2.1 敏感原理本论文采用的是压阻式信号检测原理，其核心是半导体材料的压阻效应.压阻效应是指当材料受到外加机械应力时，材料的体电阻率发生变化的材料性能。晶体结构的形变破坏了能带结构，从而改变了电子迁移率和载流子密度，使材料的电阻率或电导发生变化。一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：式中，电阻丝的电阻率;电阻丝的长度;电阻丝的截面积。当电阻丝受到拉力作用时，将伸长，横截面积相应减少,电阻率则因晶格发生变形等因素的影响而改变，故引起电阻值变化。对全微分，并用相对变化量来表示，则有式中的为电阻丝的轴向应变.常用单位。若径向应变为，由材料力学可知，式中为电阻丝材料的泊松系数，又因为，代入式可得灵敏系数为对于半导体电阻材料，即因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要由引起，即可见，压阻式传感器就是基于半导体材料的压阻效应而工作的。1.2.2 压阻系数最常用的半导体电阻材料有硅和锗，掺入杂质可形成P型或N型半导体。其压阻效应是因在外力作用下，原子点阵排列发生变化，导致载流子迁移率及浓度发生变化而形成的。由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关。压阻效应的强弱可以用压阻系数来表征。压阻系数被定义为单位应力作用下电阻率的相对变化。压阻效应有各向异性特征，沿不同的方向施加应力和沿不同方向通过电流，其电阻率变化会不相同。晶轴坐标系压阻系数的矩阵可写成由此矩阵可以看出，独立的压阻系数分量只有、三个。称为纵向压阻系数; 称为横向压阻系数; 称为剪切压阻系数.必须强调一下，、是相对于晶轴坐标系三个晶轴方向的三个独立分量。有了晶轴坐标系的压阻系数之后，就可求出任意晶向的纵向压阻系数及横向压阻系数。设某晶面的晶向的方向余弦为、，其某一横向的方向余弦为、，则可求出:如果单晶体在此晶向上同时有纵向应力的作用，则在此晶向上(必须是电流流过方向)的电阻率相对变化，可按下式求得:此式说明，在同一晶体上由两部分组成，一部分是由纵向压阻效应引起的，一部分是由横向压阻效应引起的。下表给出了硅和锗中的独立压阻系数分量的值。硅和锗的独立压阻系数材料类型电阻率P-Si7.86.6-1.1138.1N-Si11.7-102.253.4-13.6P-Ge1.1-3.73.296.7N-Ge9.9-4.7-5-137.91.2.3 悬臂梁分析悬臂梁根部的横向受力：质量块的质量；悬臂梁的宽度和厚度，；质量块中心至悬臂梁根部的距离；加速度悬臂梁的电阻的相对变化率：1.3 MEMS压阻式加速度传感器制造工艺为加工出图示的加速度传感器,主要采用下列加工手段来实现。采用注入、推进、氧化的创新工艺来制作压敏电阻；采用KHO各向异性深腐蚀来形成质量块；并使用AES来释放梁和质量块；最后利用键合工艺来得到所需的“三明治”结构。（使用的是400m厚、N型(100)晶向、电阻率p=2-4的双面抛光硅片。）1.3.1结构部分工艺步骤工艺剖面图初次清洗，热氧化300 第一次光刻，反应离子刻蚀余厚400-800硼离子注入去胶硼驱入，具体工艺包括清洗、驱硼、氧化等二次光刻，反应离子刻蚀去胶浓硼扩散，工艺内容包括清洗、扩散、低温氧化、漂氧化硅、推进、热氧化第三次光刻，反应离子刻蚀BHF漂正反面LPCVD 3500 1200第六次光刻，腐蚀Au/Cr，去胶第七次刻蚀，反应离子刻蚀刻蚀，ICP刻硅释放结构去胶，去导热硅脂1.3.2 硅帽部分 1.3.3键合、划片2 电容式加速度传感器电容式加速度传感器，在工业领域有着广泛的应用，例如发动机，数控车床等等。它具有电路结构简单，频率范围宽约为0450Hz，线性度小于1%，灵敏度高，输出稳定，温度漂移小，测量误差小，稳态响应，输出阻抗低，输出电量与振动加速度的关系式简单方便易于计算等优点，具有较高的实际应用价值。2.1电容式加速度传感器原理电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器，其中一个电极是固定的，另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力(气压、液压等)作用下发生位移，使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流(或液流)的振动速度(或加速度)，还可以进一步测出压力。2.1.1 电容器加速度传感器力学模型电容式加速度传感器从力学角度可以看成是一个质量弹簧阻尼系统，加速度通过质量块形成惯性力作用于系统，如图一所示。根据牛顿第二定律,对于该力学模型,可以列写出下列二阶微分方程：其中 将上式进行零初始条件下的拉普拉斯变换,得由此可得以加速度作为输入变量，质量块相对壳体位移为输出变量；传递函数为可见,如果将传感器的壳体固定在载体上,只要能把质量块在敏感轴方向相对壳体的位移测出来,便可以把它作为加速度的间接度量。由上式可见，传感器无阻尼自振角频率为传感器阻尼比为从上式可以看出，当处于常加速度输入下的稳态时，其质量块相对壳体位移趋于如下稳态值：由上式可见，质量块越大，弹性系数越小，即系统无阻尼自振角频率越低，则电容式加速度传感器灵敏度越高。稳态灵敏度为：2.1.2电容式加速度传感器数学模型当加速度时，质量块位于平衡位置，两差动电容相等，即当加速度a不为0 时，质量块受到加速度引起的惯性力产生位移x，两差动电容间隙分别变为可得差动方式时总的电容变化量为质量块由于加速度造成的微小位移可转化为差动电容的变化，并且两电容的差值与位移量成正比。可得输入加速度a和差动电容变化的关系为由加速度变化到敏感电容变化的灵敏度为电容式加速度传感器的分辨率受到电容检测电路分辨率的限制，分辨率为2.2电容式加速度传感器的构造2.2.1机械结构布局的选择与设计当前大多数的电容式加速度传感器都是由三部分硅晶体圆片构成的，中层是由双层的SOI硅片制成的活动电容极板。如图一所示， 中间的活动电容极板是由八个弯曲弹性连接梁所支撑，夹在上下层两块固定的电容极板之间。提高精度很重要的一项措施就是采用差动测量方式，极大地提高了信噪比。因此，电容式MEMS加速度传感器几乎全部采用差动结构。电容式Mems加速度传感器的结构布局1基本结构的选择电容式 MEMS加速度传感器有许多种机械结构，。选择好的机械结构，将有助于满足和提高传感器的性能，如固有频率、量程 、机械强度 、对载荷的响应等等。另外，微加速度计的结构尺寸除了要满足上述条件外，随着尺寸的缩小，一些在运动中起主导作用的 因素将发生变化。比如静电力、分子之间的相互作用力、空气产生的阻尼力等，这些在宏观中被忽略掉的因素将是影响微结构性能的主要因素。因此在设计中也应该把这些因素考虑在内。在进行结构设计时，要考虑的主要约束条件有：a.量程 具有一定的量程是设计加速度传感器的主要目的。通过结构设计、材料力学等来分析传感器的最大测量范围。 b.刚性约束条件 要求加速度计在惯性力的作用下，悬臂梁或者挠性轴的最大挠度应小于材料所允许的最大相对挠度。 c.弹性约束条件 要求悬臂梁或者挠性轴上的应力不超过材料本身的许用应力，以保证结构工作在弹性范围内。 d.谐振频率约束 加速度计相当于一个低通滤波器，为了保证有足够宽的工作频率，希望加速度计的谐振频率尽可能高些。但是，谐振频率又不能太高，以保证有较高的灵敏度。因此，总是希望加速度计的谐振频率在一定的范围内。2. 弹性梁的选择弹性梁的设计在MEMS加速度计中是十分关键的一个部分，其结构直接影响到传感器的量程、分辨率、横向灵敏度、抗高过载能力等参数(梁的基本结构如表1所示 )。合理选择梁的结构类型，是设计中的关键。表2列出了不同弹性梁与质量块组合时的性能特点。3. 过载保护结构的设计硅微弹性梁作为MEMS器件的基本组成部分，它的几何尺寸和材料属性会直接影响微 器件的工作性能、抗高过载能力，以及结构稳定性。高过载条件下微结构的受力形式主要表现为惯性力，而惯性力作为外力作用在构件上时，产生构件内力，且内力会随冲击加速度的增加而增大，当冲击加速度达到某一限度时，就会导致微结构破坏。若要保证MEMS加速度计在高过载条件下不失效，则组成的 MEMS加速度计的微构件必须满足 ：足够的抵抗破坏能力、足够的抵抗变形能力和保持原有平衡状态的能力。而这些要求均与材料的力学性能有关。材料的力学性能指标主要包括 ：比例极限(弹性极限) p、 屈服极限s、强度极限(抗拉强度)b、弹性模量E、延伸率和断面收缩率等。因此在结构设计中，常采用止挡块结构来限制敏感质量块运动的最大位移。2.3.2材料的选择MEMS加速度计用到的材料比较多，不同的部分很有可能采用不同的材料。例如用于做衬底的衬底材料，用于做掩膜的掩膜材料，用于表面微加工的牺牲层材料等等。微加速度计常用的材料有单晶硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、多晶硅等等，具体哪种材料用于哪一部分不是固定的，需要在设计过程中根据其物理化学性质以及在加速度计中的作用加以综合考虑。因为该传感器动态要求比较高 ，因此在进行完结构设计，得到结构的尺 寸以后，进行有限元分析是必不可少的。运用有限元分析软件ANSYS对加速度计模型进行分析，可以得到下面的结果 ： (1)进行静力分析，可以发现承受应力最大的部位。 (2)进行模态分析，可以得到结构的固有频率和各固有频率下的振型。 (3)进行瞬态动力学分析，可以得到结构对外界激励的响应。通过以上有限元分析的结果，可以进一步改进设计，使所设计的加速度计具有更好的性能 。2.3.3工艺的选择电容式MEMS加速度计的工艺一般采用的有：表面工艺、体硅工艺、LIGA工艺及 SOI+DRIE工艺等。如表 3对这几种工艺进行了对比。 表面工艺是在集成电路平面工艺基础上发展起来的一种微工艺，只进行单面光刻。它利用硅平面上不同材料的顺序淀积和选择腐蚀来形成各种微结构。主要包括牺牲层淀积、牺牲层刻蚀、结构层淀积、结构层刻蚀、牺牲层去除(释放结构)等。最后使结构材料悬空于基片之上，形成各种形状的二维或三维结构。 体硅工艺是指沿着硅衬底的厚度方向对硅衬底进行刻蚀的工艺，包括湿法刻蚀和干法刻蚀，是实现三维结构的重要方法。为了形成完整的微结构，往往在加工的基础上用到键合或粘接技术，将硅的键合技术和体硅加工方法结合起来。硅的微结构经过多次掩膜、单面或双面光刻以及各向异性刻蚀等工艺而成，然后将有关部分精密对准键合成一整体。体硅加工工艺过程比硅表面加工复杂，体积大，成本高。SO1+DRIE工艺是体硅工艺的一种延伸与发展。利用绝缘体上硅(SOI)制造单晶硅三维微 结构是最近几年发展异常迅速的方法。利用SOI制造微结构的方法几乎都是利用DINE(深反应离子刻蚀)对单晶硅进行深刻蚀。根据结构的不同、性能要求等可采用正面结构释放和背面结构释放。2.3.4具体构造及加工工艺工艺过程中所选取的都是n-type（100）的，两层镜面的SOI硅晶层，处理层厚度800 25m，设备层厚度为30m，氧化层厚度为2m，图案化淹模要以的晶向排列，前后面精度分别为1.5m和3m。湿法刻蚀的KOH浓度是40%，温度保持在50度。具体步骤由图二所示 电容式加速度传感器制造过程（a）确定上下极板间的电容间距 （b）用KOH对两面的SiO2进行湿法刻蚀 （c）等SiO2层被去除，新的氧化层会在两面重新生成，继续用KOH进行湿法刻蚀直到SiO2层被完全去除 （d）在两面涂上光刻胶作为湿法刻蚀的梁结构 （e）去除光刻胶以后两面重新被氧化生成SiO2，随后再EVG-100覆盖（f）利用剩下的光刻胶进行刻蚀然后移除光刻胶（g）等刻蚀完成，对称梁结构形成（h）利用对称结构确认中间梁位置（i）上下两层形成2m的SiO2对称氧化层来隔绝上中下三层（j）随后通过梁结构中间层与上下层连接（K）控制480度的粘接温度随后在1100度下保存一小时。3 其他加速度传感器3.1 光波导加速度计光波导加速度计的原理如下图所示：光源从波导1进入，经过分束部分后分成两部分分别通入波导4和波导2，进入波导4的一束直接被探测器2探测，而进入波导2的一束会经过一段微小的间隙后进入波导3，最终被探测器1探测到。有加速度时，质量块会使得波导2弯曲，进而导至其与波导3的正对面积减小，使探测器1探测到的光减弱。通过比较两个探测器检测到的信号即可求得加速度。3.2微谐振式加速度计谐振式加速度计，Silicon Oscillating Accelerometer，简称SOA。一根琴弦绷紧程度不同时弹奏出的声音频率也不同，谐振式加速度计的原理与此相同。振梁一端固定，另一端链接一质量块，当振梁轴线方向有加速度时梁会受到轴线方向的力，梁中张力变化，其固有频率也相应发生变化。若对梁施加一确定的激振，检测其响应就可测出其固有频率，进而测出加速度。激振的施加和响应的检测通常都是通过梳齿机构实现的。SOA的特点在于，它是通过改变二阶系统本身的特性来反映加速度的变化的，这区别与电容式、压电式和光波导式的加速度计。SOA常见的结构有S结构和双端固定音叉（Double-ended Tuning Fork，DETF）两种。S结构原理图如下图所示，DEFT式就是在质量块的另一半加上和左边对称的一套机构。DEFT是目前SOA的主流结构。3.3热对流加速度计热对流加速度的原理与其他加速度计有根本上的区别，其他加速度计的原理都是建立在一个二阶系统的基础之上，而热对流加速度计采用的是完全不同的原理。一个被放置在芯片中央的热源在一个空腔中产生一个悬浮的热气团，同时由铝和多晶硅组成的热电偶组被等距离对称地放置在热源的四个方向。在未受到加速度或水平放置时，温度的下降陡度是以热源为中心完全对称的。此时所有四个热电偶组因感应温度而产生的电压是相同的（见下图）。由于自由对流热场的传递性，任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓，从而导致其不对称。此时四个热电偶组的输出电压会出现差异，而热电偶组输出电压的差异是直接与所感应的加速度成比例的。在加速度传感器内部有两条完全相同的加速度信号传输路径：一条是用于测量X轴上所感应的加速度，另一条则用于测量Y轴上所感应的加速度。由于热对流加速度计中没有可运动的质量块，所以其制造工艺相对简单，也比较容易加工，而且其抗冲击性能非常好，可抗五万倍重力加速度的加速度。但环境温度对热对流加速度计的影响较大，而温度变化会导致零点漂移；同时热对流加速度计的频响范围低，通常是小于35Hz。3.4压电式加速度计压电式加速度计的数学和物理模型与压阻式和电容式的加速度计类似，都是通过测量二阶系统中质量块的位移来间接测量加速度，三者的差别就是在于测量这个质量块位移的方法。压电式加速度计利用了压电效应，或者更确切地说，是利用了正压电效应，即某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时其内部产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。通过测量压电材料两级的电势差即可求得其形变压电原理在宏观尺度的加速度计中应用颇为广泛，这类加速度计的构造多为基座和质量块之间夹一压阻材料（如下图）。而MEMS压电式加速度计采用的结构与压阻式微加速度计类似（如下图），都是悬臂梁末端加质量块的震动系统，二者差别在于镀在梁上的材料不同，压电式加速度计自然只要镀上压电材料，而非压阻材料。4 加速度传感器的应用4.1原理加速传感器能够测量传感器所承受的加速力。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力。人们在手机上经常看到的重力传感器，实际就是加速传感器的一种。现代加速传感器有单轴、两轴、三轴之分。手机上常见的是电容式芯片三轴加速传感器，主要由双芯片构成，即重力测量单元和控制电路单元。在每个方向上，封装部分内有一小块可移动的电极板和两块不可移动的电极板， 当可移动电极板受到加速作用时，会产生惯性力，从而影响与左右两个不可移动电极板的间隔，使得电容值改变，促进电容电压值的变化，以此可以计算出加速度。4.2 功能手机通过加速传感器能够实时的获得手机的移动状态，其最初的用途是用来检测手机是竖放还是横放，从而决定是横屏显示还是竖屏显示。随着三轴加速器普及，手机能够识别横放竖放，正面横放、背面横放，正面竖放、背面竖放状态，从而可以实现摇晃手机操作，翻转静音功能等；加速传感器另一个重大用处就是利用手机摇晃来玩游戏，其加速值大小能够在游戏中得到充分表现，从而代替传统游戏手柄。参 考 文 献1 YUFIN S A. Geoecology and computers：proceedings of the Third International Conference on Advances of Computer Methods in Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Moscow, Russia, February 1-4,2000C.Rotterdam：A. A. Balkema,2000.2 昂温 G，昂温 P S.外国出版史M.陈生铮，译.北京：中国书籍出版社，1988. 3 全国文献工作标准化技术委员会第七分委员会.GB/T 5795-1986 中国标准书号S.北京：中国标准出版社，1986.