MEMS加速度传感器的基础学习知识原理与构造

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：xxx

xx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 (2)

1.1 压阻式加速度传感器的组成 (2)

1.2 压阻式加速度传感器的原理 (3)

1.2.1 敏感原理 (3)

1.2.2 压阻系数 (4)

1.2.3 悬臂梁分析 (6)

1.3 MEMS压阻式加速度传感器制造工艺 (6)

1.3.1结构部分 (7)

1.3.2 硅帽部分 (9)

1.3.3键合、划片 (10)

2电容式加速度传感器 (11)

2.1电容式加速度传感器原理 (11)

2.1.1 电容器加速度传感器力学模型 (11)

2.1.2电容式加速度传感器数学模型 (13)

2.2电容式加速度传感器的构造 (14)

2.2.1机械结构布局的选择与设计 (14)

2.3.2材料的选择 (16)

2.3.3工艺的选择 (17)

2.3.4具体构造及加工工艺 (18)

3 其他加速度传感器 (20)

3.1 光波导加速度计 (20)

3.2微谐振式加速度计 (20)

3.3热对流加速度计 (21)

3.4压电式加速度计 (21)

4 加速度传感器的应用 (22)

4.1原理 (22)

4.2 功能 (23)

参考文献 (24)

1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e U 。设2R 、4R 为正应变电阻，1R 、3R 为负应变电阻，则电桥的输出表达式为:

()()

24131423SC e R R R R U U R R R R -=++

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:

1234R R R R R ====

1234R R R R R ?=?=?=?=?

则电桥输出的表达式变为:

SC e R U U R

?=

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：

L R S

ρ= 式中，ρ电阻丝的电阻率;L 电阻丝的长度;S 电阻丝的截面积。

当电阻丝受到拉力F 作用时，将伸长L ?，横截面积相应减少S ?,电阻率则因晶格发生变形等因素的影响而改变ρ?，故引起电阻值变化R ?。对全微分，并用相对变化量来表示，则有

R L S R L S ρρ

????=-+ 式中的()/L L ε?=为电阻丝的轴向应变.常用单位()

61110/mm mm μεμε-=?。若径向应变为/r r ?，由材料力学可知()//r r L L μμε?=-?=-，式中μ为电阻丝材料的泊松系数，又因为()/2/S S r r ?=?，代入式可得 ()/12/R R μερρ?=++?

灵敏系数为

()1112dR d GF R ρμεερ

==++ 对于半导体电阻材料，()/12ρρμε?+?，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/ρρ?引起，即//R R ρρ?≈?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π来表征。压阻系数π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

111212121112121211444444000000000000000000000000ij πππππππππππππ????????=????????????

由此矩阵可以看出，独立的压阻系数分量只有11π、12π、44π三个。11π称为纵向压阻系数; 12π称为横向压阻系数; 44π称为剪切压阻系数.必须强调一下，11π、12π、44π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z π及横向压阻系数h π。设某晶面的晶向的方向余弦为1l 、1m 、1n ，其某一横向的方向余弦为2l 、2m 、2n ，则可求出:

()()

()()2222221111124411111122

2222121112441212122z h l m m n l n l l m m n n ππππππππππ=---++=+--++

如果单晶体在此晶向上同时有纵向应力h σ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:

/z z h h R R πσπσ?=+

此式说明，在同一晶体上/R R ?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。

1.2.3 悬臂梁分析

悬臂梁根部的横向受力：

2

6z ml a bh σ= 质量块的质量m ；悬臂梁的宽度和厚度b ，h ；质量块中心至悬臂梁根部的距离l ；加速度a

悬臂梁的电阻的相对变化率：

44

2

3/z z h h ml R R a bh πσπσπ?=+=

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400μm厚、N型(100)晶向、电阻率p=2-4Ω的双面抛光硅片。）

1.3.1结构部分

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0～450Hz ，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：

22n mx cx kx ma

x x x a ζωω++=++=&&&&&&

其中 22n c

k x m m

ζωω==&

将上式进行零初始条件下的拉普拉斯变换,得

()()()2mx cs k X s mA s ++=

由此可得以加速度作为输入变量a ，质量块相对壳体位移s 为输出变量；传递函数为

()(

)22222112n n X s m A s ms cs k s s s ζωω===+++++

()()

()22

12n n X s G s A s s s ξωω==++ 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

0ω= 传感器阻尼比为

ζ= 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：

20

ma a x k ω== 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：

21

static n m S k

ω==

2.1.2电容式加速度传感器数学模型

当加速度0

a=时，质量块位于平衡位置，两差动电容相等，即

120

A

C C C

d

ε

===

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

10

d d x

=-

20

d d x

=+

10

00

1

1/

A

C C

d x x d

ε

==

--

20

00

1

1/

A

C G

d x x d

ε

==

++

可得差动方式时总的电容变化量为

12000

000

112

x x x

C C C C C C

d d d

????

?=-=+--=

? ?

????

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

20

ma a x k ω== 02002C a C d ω?=

由加速度变化到敏感电容变化的灵敏度为

002Cd k a C m

?= 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

200min min min 00

22n d d a k C C mC C ω=?=?

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) σp、屈服极限σs、强度极限(抗拉强度)σb、弹性模量E、延伸率δ和断面收缩率Ψ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。