基于MEMS技术压阻式加速度传感器.docx
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基于MEMS技术压阻式加速度传感器
基于MEMS技术压阻式加速度传感器
学院：
信息科学与工程学院
专业班级：
微电子学与固体电子学
学号：
2015407
学生姓名：
夏贝贝
指导教师：
揣荣岩（教授）
2015年11月
一．MEMS加速度传感器的介绍
1、MEMS介绍
微电子机械系统（MicroElectroMechanicalSystem），简称MEMS,是在微电子技术基础上发展起来的集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的一项新兴的科学领域。
MEMS制造技术是一种高水平的微米/纳米技术。
它不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。
研究开发的情况来看，我国在该领域的技术水平与世界先进水平的差距并不太大，某些方面甚至已达到先进水平。
MEMS技术的产业化方面，却远远落后于世界先进水平。
2、MEMS加速度传感器介绍
1977年美国Stanford大学在世界上首先采用微加工技术制造出一种开环硅加速度计，并在80年代初形成了产品。
但是这种装置的高动态范围、偏置及标度因数稳定性都比较差。
美国AD（AnalogDevices）公司于1989年开始微梳齿式电容加速度计的研究，并开发其电子测量电路，于1992年满足了汽车安全气袋的性能指标要求，现己形成系列产品。
1993年AD公司推出基于汽车方面应用的DXL50加速度计，它是市场上最为成功的面微机械加工加速度计之一，测量范围是士5g.
ADXL150和ADXL250是AD公司推出的第三代微机械加速度计，在零位偏置、动态范围、噪声和功效等方面比ADXL50有了很大的改进。
1998年AD公司成功地推出了双轴加速度计系列产品。
量程从士2g到士1000g。
日本日立公司和东北大学研究了一种伺候反馈的单悬臂梁微硅电容型加速度计。
灵敏度1040mV/g，量程是士1g.
国内在微加速度传感器的研制方面也作了大量的工作，如西安电子科技大学研制的压阻式微加速度传感器和清华大学微电子所开发的谐振式微加速度传感器。
后者采用电阻热激励、压阻电桥检测的方式，其敏感结构为高度对称的四角支撑质量块形式，在质量块四边与支撑框架之间制作了四个谐振梁用于信号检测。
图1.1加速度传感器结构模型
加速度传感器是力敏传感器的一个重要分支，它能检测物体运动速度的变化。
加速度传感器主要由惯性质量块、等效为弹簧的支撑梁和检测装置等三个部分组成。
图1.1给出了典型的带有阻尼的加速度传感器结构模型。
图中惯性质量块的质量为m，弹簧的弹性系数为km，系统的阻尼系数为c。
如果外界有垂直方向加速度a,惯性质量块的位移与外界加速度的输入成正比，而质量块的位移又可以通过适当的厕量装置转化为电信号，实现加速度的测量。
3、加速度传感器的工作原理
如图1.1所示设惯性质量块的质量为m,弹簧的弹性系数为km.系统的阻尼系数c。
当外界有加速度a输入,则描述惯性质量振动的为微分方程可写为:
用拉普拉斯变换，上式可写为:
从中解得：
令
其中，ω0为惯性质量谐振频率，Q为振动系统的品质因子。
系统振动的阻尼比为:
由以上关系知：
上式的振幅为：
相位为：
定义加速度计的反应度为对应于给定输入加速度的惯性质量的位移。
则反应度Res为：
由上式可知，惯性质量的位移与外界加速度的输入成正比，在低频，反应度反比于谐振频率的平方;在谐振频率，反应度增大了一个品质因子的倍数;在高频率，反应度的衰减反比于瞬时输入加速度频率的平方。
而惯性质量的位移又可通过适当的测量装置转化为电信号，实现加速度的测量。
为了获取好的器件性能，需要增大加速度计的反应度。
加速度传感器的性能一般由它的灵敏度、量程、频率响应、精度、偏轴灵敏度和抗冲击能力等指标来描述。
不同用途的加速度传感器有着不同的性能要求。
微机械加速度传感器以其体积小、重量轻、功耗低、易集成和可批量生产等诱人特点在商业领域占据了广泛的市场。
主要包括以下几个方面:
通用航空、车辆控制、高速公路、机器人、工业自动化、探矿、玩具等。
但主要的商业领域是在汽车技术中。
微机械加速度传感器的另一个方面应用是心脏起.搏器，先进的心脏起搏器设计包含多个传感器，其中1-2只加速度计用来检测病人的运动，以使救护设备的输出适应病人的要求。
二、压阻式加速度传感器
1、压阻式传感器的结构
由悬臂梁和质量块以及布置在梁上的压阻组成，横梁和质量块常为硅材料。
当悬臂梁发生变形时，其固定端一侧变形量最大，故压阻薄膜材料就被布置在悬臂梁固定端一侧（如图1.2所示）。
当有加速度输入时，悬臂梁在质量块受到的惯性力牵引下发生变形，导致固连的压阻膜也随之发生变形，其电阻值就会由于压阻效应而发生变化，导致压阻两端的检测电压值发生变化，从而可以通过确定的数学模型推导出输入加速度与输出电压值的关系。
图1.2压阻式加速度传感器原理图
压阻式加速度传感器应用最为广泛的设计结构包括桥型梁质量块结构和悬臂梁质量块结构两种。
2、性能指标
线性度
线性度主要是为了使加速度计有较好的线性输出，即MEMS芯片输出的电压值模拟或数字）与芯片受到的加速度值成正比。
灵敏度
影响芯片灵敏度取决于芯片的结构与本身产生的噪声。
对于X轴加速度计，其X轴的揉度必须大（刚度小，容易变形），而Y轴和Z轴的揉度必须小（刚度大，不易变形），以确保Y轴与Z轴的变形不致于影响小加速度对X轴产生的位移响应。
这一点必须从机械结构的设计和芯片加工的工艺上进行改善与优化。
而噪声的改善则是工艺水平所决定的因素。
功耗
功耗是影响芯片应用范围的一个重要因素，要使MEMS芯片市场化，MEMS加速度芯片就应该向手持设备进军，因此必须降低芯片的功耗。
这一点必须从芯片电路设计与工艺设计上下功夫。
三、设计的微加速度传感器
1、加速度传感器结构
图3.1集成质量块四悬臂梁的加速度传感器简图
此次设计建立一种四悬臂梁结构的加速度传感器，质量块加载在平行的四悬臂梁的末端（如图3.1所示）。
它主要有敏感质量块和支撑梁，边框以及支撑梁上的压阻组成。
通常还会在可动结构的背面键合一块玻璃片，用来对器件进行保护和限位。
集成检测质量块进行灵敏度的分析。
由于检测质量块的存在，一个额外项必须包含在分析中，检测质量块要远大于悬臂梁屈曲质量，梁的屈曲对于固定载荷的贡献是很小的，可以忽略不计。
则灵敏度可以表示为：
其中，Lm和bm是连接在悬臂梁屈曲末尾处检测质量单元的长和宽。
定义n为平行屈曲单元的数目，器件的固有频率的表达式可近似表达为：
以上两个方程可合并为一个方程，即
表达式中出现四个设计参数（L、Lm、b、bm），其中β为材料性质参数。
由上式可知增大灵敏度可以通过增大Lm/L的比例，增大灵敏度的同时减少了电容。
每一根梁的根部植入2个压敏电阻（一个正应变电阻和一个负应变电阻），这些电阻互联形成惠斯通电桥，当传感器的敏感方向受到加速度时，质量块在力的作用上下移动，同时，四根梁也受到应力的作用，从而使四根梁上的4个电阻阻值增大，而另外4个电阻的阻值减小。
结果电桥的输出电压发生变化，通过对电桥输出的测量，就可以知道被测加速度的大小。
2、检测电路
采用压阻全桥来做为信号检测电路，如图3.2所示。
图3.2恒压源供电的压阻电桥
电桥采用恒压源供电，桥压为Ue。
设R2,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:
在电阻布局设计、制造工艺都保证压敏电阻的一致性，因此可以认为所有的压敏电阻和压敏电阻的变化量都是相等的，即:
则电桥输出的表达式变为:
3、各项设计参数
参数
L
b
Lm
bm
te
tp
数值/um
450
25
450
450
2.3
0.7
L:
梁的宽度b：
梁的长度
Lm:
质量块的宽度bm:
质量块的长度
te:
弹性悬臂梁基底的厚度tp:
压电层的厚度
四、有限元模拟仿真
为了验证设计的正确性，我们使用ANSYS软件进行了仿真模拟。
对压阻式加速度传感器，主要对它进行模态分析。
模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性，即结构的固有频率和振型。
模态分析主要步骤：
a、建立有限元模型
b、施加载荷并求解
c、扩展模态
d、提取分析结果
以下求解了四悬臂梁加速度传感器的前五阶模态的固有频率和振型。
1、
四悬臂梁加速度传感器的有限元模型
2、前五阶模态
图4.3前五阶模态频率
图4.4一阶振型显示
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