基于MEMMS电容式加速度传感器的设计.doc
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目录
中文摘要 1
英文摘要. 2
1引言 3
2电容式加速度传感器 6
2.1各式加速度传感器的比较 6
2.2电容式加速度传感器的分类 10
2.3电容式加速度传感器设计方法选择与优化 12
2.4电容加速度传感器结构梁的设计 15
3加速度计主要失效模式和失效机理 20
3.1表面粘附 20
3.2结构断裂 21
3.3分层失效 21
3.4辐射失效 22
4硅-玻璃键合加速度传感器的工艺过程 23
4.1工艺相关 23
4.2工艺过程 24
5计算机设计与仿真 28
5.1MEMES-PRO软件环境 28
5.2加速度传感器相关部件、电路及波形 28
结论 31
谢辞 32
参考文献 33
基于MEMMS电容式加速度传感器的设计
摘要：
加速度传感器的设计与研究在国内外已经持续了很多年。
在这段研究中，各式各样的加速度计在不断出现。
本文从MEMS的发展入笔，罗列传感器重要特性，比较硅微电容式加速度传感器、硅微压阻式加速度传感器、硅微热电偶式等各种传感器，介绍相关原理和一些用途。
选取电容式加速度传感器作为方向，阐述相关设计原则和注意事项。
针对微机械电容式加速度计主要有三种结构，即三明治摆式加速度计结构、跷跷板摆式加速度计和梳齿式微加速度计结构，对其原理作比较详尽的介绍，对工艺实现难易作出比较。
论述加速度传感器的相关优化方案的选取，粱结构的优化选择和体硅加工等系列方案选取。
进而说明加速度计的主要失效模式和实效机理。
最后选取一种加速度计，介绍其涉及到的MEMS工艺和工艺步骤。
介绍MEMS软件的相关应用。
关键词：
MEMS，加速度传感器，电容式
Abstract:
AccelerometerDesignandResearchhasbeengoingonathomeandabroadformanyyears.Duringthisstudy,awiderangeofemergingintheaccelerometer.Inthispaper,thedevelopmentofMEMSasastartingpoint,listtheimportantcharacteristicsofthesensor,compareamongmicro-siliconcapacitiveaccelerometer,micro-siliconpiezoresistiveaccelerometer,micro-siliconthermocoupleaccelerometerandothertypes,introducetherelevantprinciplesandsomeuses.Selectcapacitiveaccelerometerasthemainpoint,expoundtherelateddesignprinciplesandattention.cantileverbeammicromachinedsiliconaccelerometer,pendulousmicromachinedsiliconaccelerometerandfinger-shapedmicromachinedsiliconaccelerometer,asthemainstructuresinmicro-siliconcapacitiveaccelerometers,wehaveadetailedintroductionabouttheprincipleandcomparisonabouttheprocesses.Expoundtheoptimizationofsensor,beamstructure,bulkprocessingandotherrelatedrespects.Thenexplainthemainfailuremodeandeffectivenessofthemechanismoftheacceleration.Finally,selectanaccelerometertointroduceMEMStechnologyinvolvedandtheprocesssteps.IntroducetheapplicationsofMEMSsoftware.
Keywords:
MEMS,accelerationsensor,capacitive
1引言
MEMS技术发展的始点是集成电路（IC）技术。
Intel公司1971年推出的Intel4004处理器芯片只集成了2250个晶体管，1982年问世的Intel286集成了120000个晶体管，而1999年推出的PentiumⅢ处理器集成的晶体管数目则达到了24000000。
集成电路技术惊人的发展速度，是其它领域不能匹敌的。
每隔12到18个月，芯片上晶体管的集成密度就会翻倍，这个增长规律被称为摩尔定律（MooreLaw）。
这么多年以来，集成电路产业按照摩尔定律一直发展到今天，推动着信息社会的迅速发展。
电子器件小型化和多功能集成是微加工技术的推动力。
如果没有微加工和小型化技术的迅猛发展，许多今天看来理所当然的科学和工程成就就都不能实现。
这些应用包括成指数级增长的计算机和互联网的应用、蜂窝电话、数码照相（摄像、存储、传输和显示）、平板显示、等离子电视、节能汽车、人类基因组测序（大约包括有30亿个碱基对）、快速的DNA序列识别、新材料和药物的发现以及电子战等。
MEMS是由集成电路技术发展而来，经过大约20年的萌芽阶段，开展了一些有关MEMS的零散研究，使得体硅加工技术和表面加工技术迅速成熟起来。
到了20世纪90年代，全世界的MEMS研究进入了一个突飞猛进、日新月异的发展阶段。
一批研究成果有了实际应用。
其中最典型的是美国AnalogDevices（模拟器件）公司生产的用于汽车安全气囊系统的集成惯性传感器和美国TexasInstruments（德州仪器）公司生产的用于投影显示的数字光处理芯片。
与传统宏观的机电系统相比，MEMS技术有与其区别的自身本质特征：
（1）小型化。
典型的MEMS器件的长度尺寸大约在1~1之间，当然，MEMS器件阵列或整个MEMS系统的尺寸会更大些。
小尺寸能够实现柔性支撑、带来高谐振频率、低热惯性等很多优点。
小型化可能带来一些问题，比如有些在宏观尺度下非常显著的物理效应，当器件尺寸变小以后，性能可能变得很差。
还有就是，有些对于宏观器件可忽略的物理效应，在微观尺度范围内会突然变得突出，即比例尺度定律。
（2）微电子集成。
MEMS最独特的特点之一就是可以将机械传感器和执行器与处理电路和控制电路同时集成在同一块芯片上。
这种单片集成技术应用整片衬底的加工流程，将不同部件集成在单片衬底上，不包含机械拾取或人工装配等混合组装方法。
光刻技术可以确保器件尺寸和元件位置的精确性。
（3）高精度的批量制造。
MEMS加工技术可以高精度地加工二维、三维结构，而采用传统的机械加工技术不能重复地、高效地、或者低成本地加工这些微结构。
结合光刻技术，MEMS技术可以加工独特的三维结构，传统的机械加工和制造技术制备这些结构难度大、效率低。
现代光刻系统和光刻技术可以很好地定义结构、整片工艺的一致性好、批量制造的重复性也非常好。
MEMS技术带来了传感器和执行器的革命性变化。
一般来说，传感器是用来探测和监测物理化学现象的器件，而执行器是用来产生机械运动、力和扭矩的器件。
传感器和执行器可以统称为换能器，换能器可以实现信号和能量由一种能量转换为另一种能量。
比较受关注的能域主要有六个，分别是电能、机械能、化学能、辐射能、磁能和热能。
本论文将要论述到的是加速度传感器，它是将运动物体的机械能转化为相应电容的变化，再通过接口电路分析相应加速度。
传感器可分为两类：
物理传感器和生化传感器。
物理传感器测量力、加速度、压力、温度、流速、声波振动和磁场强度等物理量。
加速度传感器就是一种典型的物理传感器。
有很多传感原理都可以实现某种信号的敏感。
一般来说，传感器研发者必须根据很多性能要求评价不同的能量转换途径和设计。
下面罗列传感器的最重要的一些特性：
（1）灵敏度。
灵敏度定义为输出信号与输入激励之间的比值。
必须注意，灵敏度可能是输入激励幅值和频率、温度、偏置以及其它变量的函数。
（2）线性度。
如果输出信号随着输入信号的变化成比例地变化，那么就说响应时线性的。
线性的响应可以降低信号处理电路的复杂度。
（3）响应特性。
响应特性包括精度、分辨率或测量极限。
它表明了传感器能够有效测量出来的最小输入信号的大小，它通常受传感元件和电路的噪声限制。
任何干扰目标信号识别的信号都可以视为噪声，噪声本来也可以是另一个信号（干扰）。
我们通常所指的噪声是用来描述物理随即噪声，如热噪声。
干涉噪声可以采用电子屏蔽等方法校正或消除，但随即噪声确实普遍存在的，它有着众多的基本来源。
对于MEMS传感器，噪声主要源于以下几个方面：
a．Johnson噪声是白噪声，它表现为由于内部电子或粒子随机性热涨落所产生的电阻开路电压。
Johnson噪声的RMS值定义为：
（1-1）
式中，为玻耳兹曼常数；为绝对温度；为电阻值；为单位为Hz的带宽。
Johnson噪声的幅值分布服从高斯分布。
b．散粒噪声，是另一种高斯分布的白噪声。
它来源于电荷的不连续传输导致的电流量子随机涨落。
散粒噪声可以表示为，式中、和分别是电荷、直流电流和单位为Hz的测量带宽。
c．1/f噪声，也称为闪烁噪声。
它是由于电流流过电阻时的电导率随机涨落产生的。
顾名思义，1/f噪声与频率有关。
优化传感器设计可以减小1/f噪声。
d．对于很多可动的MEMS传感器来说，如加速度传感器，热-机械本底噪声是另一个重要的噪声源。
热-机械噪声是因为微结构周围的气体分子由于布朗运动与微结构产生机械碰撞，导致微结构振动而产生的。
热-机械本底噪声与玻耳兹曼常数、温度、品质因子和弹性常数、谐振频率和测量带宽的平方根成正比。
通过对时间或对许多器件进行整体平均可以降低热-机械本底噪声。
（4）信噪比（SNR）。
SNR表示信号幅值与噪声幅值之间的比值。
（5）动态范围。
动态范围是指可测得的最高信号水平和最低信号水平之间的比值。
在很多应用中都要求有较大的动态范围。
（6）带宽。
对于常量和时变信号，传感器会有不同的响应。
通常，传感器很难响应频率非常高的信号。
有效响应的范围称为带宽。
（7）漂移。
由于材料的机械和电学性质会随时发生变化，故传感器的相应特性就会发生漂移。
漂移较大的传感器不能有效地测量缓慢变化的信号，如检测结构的应力随时间的变化。
（8）传感器的可靠性。
传感器的性能会随时间发生改变，特别是在恶劣的环境条件下。
军用传感器必须满足军用标准。
这类用途的传感器要求在比较大的温度范围内（-55到105℃）达到规定的可靠性和可信度。
目前很多工业界已经建立了很多传感器使用指南和标准。
（9）串扰和干扰。
用来测量某一变量的传感器可能对另一变量也敏感。
于加速度传感器来讲，用于测量某一特定方向加速度的加速度传感器，可能会对垂直方向的加速度产生一定的响应。
在实际应用中，需要将传感器的交叉敏感降低到最小。
（10）开发成本和时间。
研究者都希望降低传感器成本、缩短
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