MEMS加速度传感器地原理与构造Word文件下载.docx
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1.3.2硅帽部分8
1.3.3键合、划片9
2电容式加速度传感器9
2.1电容式加速度传感器原理9
2.1.1电容器加速度传感器力学模型9
2.1.2电容式加速度传感器数学模型11
2.2电容式加速度传感器的构造12
2.2.1机械结构布局的选择与设计12
2.3.2材料的选择14
2.3.3工艺的选择15
2.3.4具体构造及加工工艺16
3其他加速度传感器18
3.1光波导加速度计18
3.2微谐振式加速度计18
3.3热对流加速度计19
3.4压电式加速度计19
4加速度传感器的应用20
4.1原理20
4.2功能20
参考文献22
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
MEMSE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。
I—雄廉:
；
2—伍PL3—悬曹雉：
斗一质童块
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Ue。
设R2、R4为正应变电阻，R、R3为负应变电阻，则电桥的输出表达式为：
SC
我们在电阻布局设计、制造工艺都保证压敏电阻的一致性,压敏电阻和压敏电阻的变化量都是相等的，即
R=R2=R3=R4=R
=「：
R2=R3=「：
R4=:
R
则电桥输出的表达式变为
Use
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：
R=丄
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「丄，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「拧，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>
S上
R一LS?
式中的:
-L/L-；
为电阻丝的轴向应变.常用单位.二:
[I」；
-110”mm/mm<
若径向应变为:
.r/r，由材料力学可知.r/r-L/L-一\，式中」为电阻丝材料的泊松系数，又因为厶S/S=2：
r/r，代入式可得
AR/R=12「
灵敏系数为
GFJdR」d1“jgR名P'
丿
对于半导体电阻材料，
—：
[12」■:
，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，即厶R/R—M/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。
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二来表征。
压阻系数n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
向压阻系数；
二12称为横向压阻系数；
二44称为剪切压阻系数•必须强调一下，二11、二12、二44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向压阻系数二z及横向压阻系数X。
设某晶
面的晶向的方向余弦为l1、m1、n1，其某一横向的方向余弦为l2、mt、n2，则可求出：
222222
二Z-二仆一2二仆-二12-二44l1m叶^|l10|
222222■■h=，12”「；
=11一乓12_乓44卩hJm叫n1n2
如果单晶体在此晶向上同时有纵向应力6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：
二R/R_：
z；
「z■二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/0|jcm
算11
_412
/（10m/N）
/（10
m/N）
兀44
—112
P-Si
7.8
6.6
-1.1
138.1
N-Si
11.7
-102.2
53.4
-13.6
P-Ge
1.1
-3.7
3.2
96.7
N-Ge
9.9
-4.7
-5
-137.9
1.2.3悬臂梁分析
悬臂梁根部的横向受力：
6ml
"
bh2a
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
悬臂梁的电阻的相对变化率:
1.3MEMS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400卩m厚、N型（100）晶向、电阻率p=2-4Q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RIESiO2
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
二次光刻，反应离子
刻蚀SiO2
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
BHF漂正反面SiO2
LPCVDSiO2
3500?
Si3N41200?
第七次刻蚀，反应离
子刻蚀SiO2
刻蚀，ICP刻硅释放结构
去胶，去导热硅脂
132硅帽部分
工艺殉
工艺剖面囹
初冼清洗，热馬化
3000A
第八次光剽，反应
离子厠锂Sig
EGH腐恤理2徹来
清洗去K离于
孔化30CDA
133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:
mXcXkx=ma
X■2■-X'
^x=a
其中
将上式进行零初始条件下的拉普拉斯变换
2
mxcskXs二mAs
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
Gs4I
）A（s）s2+2给s痕
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
一L
^/km
从上式可以看出，趋于如下稳态值：
当处于常加速度输入下的稳态时，其质量块相对壳体位移
传感器阻尼比为
X-
ma
a
-2
•'
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
2.1.2电容式加速度传感器数学模型
当加速度a=°
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
a=d0「x
d2二d0x
可得差动方式时总的电容变化量为
•-C—C1-C2—C0
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
maa
x2
ko
由加速度变化到敏感电容变化的灵敏度为
jCdok
2C0m
电容式加
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