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、gongyejiancedengfangmiandedaolejiaoweixunsudeyingyong。qizhongjiasuduchuanganqijiushiguangfanyingyongdelizizhiyi。jiasuduchuanganqideyuanlisuiqiyingyongerbutong，youyazushi，dianrongshi
，yadianshi，xiezhenshideng。

 

 

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πbeidingyiweidanweiyinglizuoyongxiadianzulvdexiangduibianhua。yazuxiaoyingyougexiangyixingtezheng，yanbutongdefangxiangshijiayingliheyanbutongfangxiangtongguodianliu
，qidianzulvbianhuahuibuxiangtong。jingzhouzuobiaoxiyazuxishudejuzhenkexiecheng

 

 

 

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%，lingmindugao，shuchuwending，wendupiaoyixiao，celiangwuchaxiao，wentaixiangying，shuchuzukangdi
，shuchudianliangyuzhendongjiasududeguanxishijiandanfangbianyiyujisuandengyoudian
，juyoujiaogaodeshijiyingyongjiazhi。

 

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
， zhongjiandehuodongdianrongjibanshiyoubagewanqudanxinglianjieliangsuozhicheng

，jiazaishangxiacengliangkuaigudingdedianrongjibanzhijian。tigaojingduhenzhongyaodeyixiangcuoshijiushicaiyongchadongceliangfangshi，jidaditigaolexinzaobi。yinci，dianrongshiMEMS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
、duojingguidengdeng，jutinazhongcailiaoyongyunayibufenbushigudingde

，xuyaozaishejiguochengzhonggenjuqiwulihuaxuexingzhiyijizaijiasudujizhongdezuoyongjiayizonghekaolv。yinweigaichuanganqidongtaiyaoqiubijiaogao ，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。

 

表(biao)麵(mian)工(gong)藝(yi)是(shi)在(zai)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)平(ping)麵(mian)工(gong)藝(yi)基(ji)礎(chu)上(shang)發(fa)展(zhan)起(qi)來(lai)的(de)一(yi)種(zhong)微(wei)工(gong)藝(yi)，隻(zhi)進(jin)行(xing)單(dan)麵(mian)光(guang)刻(ke)。它(ta)利(li)用(yong)矽(gui)平(ping)麵(mian)上(shang)不(bu)同(tong)材(cai)料(liao)的(de)順(shun)序(xu)澱(dian)積(ji)和(he)選(xuan)擇(ze)腐(fu)蝕(shi)來(lai)形(xing)成(cheng)各(ge)種(zhong)微(wei)結(jie)構(gou)。主(zhu)要(yao)包(bao)括(kuo)犧(xi)牲(sheng)層(ceng)澱(dian)積(ji)、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。

 

一(yi)根(gen)琴(qin)弦(xian)繃(beng)緊(jin)程(cheng)度(du)不(bu)同(tong)時(shi)彈(dan)奏(zou)出(chu)的(de)聲(sheng)音(yin)頻(pin)率(lv)也(ye)不(bu)同(tong)
，諧(xie)振(zhen)式(shi)加(jia)速(su)度(du)計(ji)的(de)原(yuan)理(li)與(yu)此(ci)相(xiang)同(tong)。振(zhen)梁(liang)一(yi)端(duan)固(gu)定(ding)
，另(ling)一(yi)端(duan)鏈(lian)接(jie)一(yi)質(zhi)量(liang)塊(kuai)
，當(dang)振(zhen)梁(liang)軸(zhou)線(xian)方(fang)向(xiang)有(you)加(jia)速(su)度(du)時(shi)梁(liang)會(hui)受(shou)到(dao)軸(zhou)線(xian)方(fang)向(xiang)的(de)力(li)
，梁(liang)中(zhong)張(zhang)力(li)變(bian)化(hua)，其(qi)固(gu)有(you)頻(pin)率(lv)也(ye)相(xiang)應(ying)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。若(ruo)對(dui)梁(liang)施(shi)加(jia)一(yi)確(que)定(ding)的(de)激(ji)振(zhen)
，檢(jian)測(ce)其(qi)響(xiang)應(ying)就(jiu)可(ke)測(ce)出(chu)其(qi)固(gu)有(you)頻(pin)率(lv)，進(jin)而(er)測(ce)出(chu)加(jia)速(su)度(du)。激(ji)振(zhen)的(de)施(shi)加(jia)和(he)響(xiang)應(ying)的(de)檢(jian)測(ce)通(tong)常(chang)都(dou)是(shi)通(tong)過(guo)梳(shu)齒(chi)機(ji)構(gou)實(shi)現(xian)的(de)。

 

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

 

reduiliujiasududeyuanliyuqitajiasudujiyougenbenshangdequbie

，qitajiasudujideyuanlidoushijianlizaiyigeerjiexitongdejichuzhishang，erreduiliujiasudujicaiyongdeshiwanquanbutongdeyuanli。

 

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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