MEMS加速度传感器的原理与构造0001

1、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H-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

2、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 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1压阻式加速度传感器 2 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 压阻式加速度传感器的组成 2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 压阻式加速度传感器的原理 2 HYPERLINK l bookmark

3、22 o Current Document 敏感原理 3 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 压阻系数 4 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 悬臂梁分析 5 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document MEMS压阻式加速度传感器制造工艺 6 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 结构部分 6 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 硅帽部分 7 HYPERLINK l

4、bookmark57 o Current Document 键合、划片 9 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 2电容式加速度传感器 9 HYPERLINK l bookmark61 o Current Document 电容式加速度传感器原理 9 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 电容器加速度传感器力学模型 9 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 电容式加速度传感器数学模型 10电容式加速度传感器的构造 12机械结构布局的选择与设计 12 HYPE

5、RLINK l bookmark104 o Current Document 材料的选择 14 HYPERLINK l bookmark106 o Current Document 工艺的选择 14 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 具体构造及加工工艺 153其他加速度传感器 17光波导加速度计 17 HYPERLINK l bookmark113 o Current Document 微谐振式加速度计 17 HYPERLINK l bookmark115 o Current Document 热对流加速度计 18 HYPERLINK l b

6、ookmark117 o Current Document 压电式加速度计 18 HYPERLINK l bookmark119 o Current Document 4加速度传感器的应用 19 HYPERLINK l bookmark121 o Current Document 原理 19 HYPERLINK l bookmark123 o Current Document 功能 19 HYPERLINK l bookmark125 o Current Document 参考文献 201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

7、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。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

8、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，f生力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 AR,由压敏电阻组成的惠斯通电桥输出一个与AR成正比的电压信号 V。1 基座：2压阻；3悬臂梁：4一质显块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 Ue。设Q、R4为正应变电阻，R1、R3为负应变电阻，则电桥的输出表达式为：U SCR1R4R2R3Ue我们在电阻布局设计、制造工艺都保证压敏电阻的一致性，

9、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：Ri R2 R3 R4 RRR2R3R4 R则电桥输出的表达式变为：RUSC UesceR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：R -S式中，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，

10、故引起电阻值变化Ro对全微分，并用相对变化量来表示，则有R L S R L S式中的 L/L为电阻丝的轴向应变.常用单位11 106mm/mm。若径向应变为 r / r ,由材料力学可知r / rL/L,式中为电阻丝材料的泊松系数，又因为 S/S 2 r/r ,代入式可得R/R 1 2/灵敏系数为1 变 1d_R对于半导体电阻材料,/ ? 1 2,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 R/R/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。压阻系数最常用的半导体电阻材料有硅和错，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

11、，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。压阻系数兀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，其电由此矩阵可以看出，独立的压阻系数分量只有44三个。11称为纵向压阻系阻率变化会不相同。晶轴坐标系压阻系数的矩阵可写成数；12称为横向压阻系数；44称为剪切压阻系数.必须强调一下,11 、12 、44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

12、向压阻系数z及横向压阻系数h。设某晶面的晶向的方向余弦为11、m、n1，其11121200012111200012121100000044000000440000004411、12、某一横向的方向余弦为I2、m2、n2,则可求出z 1121112222 22 244 m ER Ifh 1211122. 222244 甲2”2n1如果单晶体在此晶向上同时有纵向应力h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R/R z z h h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。下表给出了硅和错中的独立压阻系数分量的

13、值。硅和错的独立压阻系数材料类型电阻率 / gcm11_ 112/ 10 m2/N12_ 112/ 10 m2/ N44_ 112/ 10 m2 /NP-Si7.86.6-1.1138.1N-Si11.7-102.253.4-13.6P-Ge1.1-3.73.296.7N-Ge9.9-4.7-5-137.9悬臂梁分析悬臂梁根部的横向受力:6ml2abh2质量块的质量m ;悬臂梁的宽度和厚度h ;质量块中心至悬臂梁根部的距离l;加速悬臂梁的电阻的相对变化率：443mlbh2R/R z z h hMEMS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、

14、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400 gm厚、N型(100)晶向、电阻率p=2-4Q的双面抛光硅片。)结构部分浓硼扩散，工艺内容 包括清洗、扩散、低 温氧化、漂氧化硅、 推进、热氧化第二次光刻，反应离子刻蚀SiO2mobBHF漂正反面SiO2LPCVD SiO2 3500?Si3N4 1200?第六次光刻，腐蚀TMiAu/Cr ,去胶第七次刻蚀，反应离子刻蚀SiO2TiSif I刻蚀，ICP刻硅释放结构去胶，去导热硅脂硅帽部分工艺剖面用第八次光刻，反应离子刻蚀SiO1

15、工艺步莪初次清洗，热氧化3000 A去胶KOH腐馋硅2微米清洗去K离子乳化3000 A击洗去K子键合、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。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

16、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。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一弹簧一阻尼系统，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:ma2n x a将上式进行零初始条件下的拉普拉斯变换，得2mx css 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mms cs k22 bkm ks122s2ns n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

17、度量。由上式可见，传感器无阻尼自振角频率为k0m传感器阻尼比为_b_2、km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：maa20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:Sstatic电容式加速度传感器数学模型图4J3电容式加速噂传感器1趟濯体T 周工电徵储 灯值里M 片当加速度a 0时，质量块位于平衡位置，两差动电容相等，即cccAC1C2C0d0 x,两差动电容间隙分当加速度a不为0时，质量块受到加速度引起的惯性力产生位移别变为C2did2A d0d0 xd0 xG011 x/

18、 d0可得差动方式时总的电容变化量为C C1C2 C0 1xd0 xCC xC0 1 -2C0 Td0d0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ma a2c0ado 0由加速度变化到敏感电容变化的灵敏度为Cdok2Cm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amin k 22mCon d0- Cmin2Co电容式加速度传感器的构造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

19、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。BusiihurMiddle padBottom padPr-oof bas sSerpentino beantbl*rop pd日ii陈严lop likjrerCiaEcitive sap Midd9e padrH*MiddlePro&f /-；SerpentineMi 3电容式Mems加速度传感器的结构布局.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

20、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

21、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。.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。囊I梁的科痣阿式直推梁厢折集售利梁蛇沿曲折集E=pw*2普神牌性索性集特点比

22、较奥蛰交又搐合应力日放主要特点悬臂梁小小有刚度小双崎固定梁牧大小X楠周甲折叠梁一较小於小有踪合性催较好to史大大有节省面积舀睚小大有的的模态刖度较小蛇歌小大有梁收.娘叫大四菊科置曼较大_大无前两援率比易于南鳌，不受加工浪整影喧.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

23、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)op 屈服极限 强度极限(抗拉强度)bb弹性模量E、延伸率8和断面收缩率 W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。.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

24、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.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

25、+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

26、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。*3段神理陋单据工1_ _ 优.一点 _ _fta表面工苫制作精度很拓尺寸为依米梨不受底片停ft限耨体积 小圈于U氏成本低，工艺成就停复性也盛品率甑 翻屋制施容电队醐层技术梅罐设计及瓶工艺耗时机成本 麻站的择故易拈,器宽比如体虹艺釉工器悯幽种植加

27、%分布电容丸员颇高t 桶单晶制作电容粒乳耙St%需与电购电令安层甘找闱料苗失 大的翱尤尺寸燧轴1探鼬甬金属触杓*本电 容载火龙度盘样系傲小选用的材单点眼加应力大，尺# 无法精小S加+阅第我层厚度哥确控制程从马微米到几百量米询实现 高颗联质的三翳构有介淤填充问也始加了工艺堆 flLi/E-l和初向利国现象明显.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 25 pm,设备层厚度为 30 pm,氧化层厚度为2（m,图案化淹模要以110的晶向排列，前后面精 度分别为1.5叩和3g。湿法刻蚀的 KOH浓度是40%,温度保持在50度

28、。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2 Vm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

29、后在1100度下保存一小时。3其他加速度传感器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。波导2质量块分束部分探刑器2波导3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

30、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

31、构。DEFT是目前SOA的主流结构。敏感方向振梁固定梳齿振梁梳齿固定梳齿加速度1检测 质断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

32、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。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，