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1、 传感器技术加速度传感器 MEMS 目录 Group3 篇前语 MEMS是什么 加速度传感器与MEMS什么关系 微机电系统 MEMS Micro Electro MechanicalSystem 也叫做微电子机械系统微机电系统是集微传感器 微执行器 微机械结构 微电源微能源 信号处理和控制电路 高性能电子集成器件 接口 通信等于一体的微型器件或系统 Group3 概述 加速度传感器 加速度传感器中的分类 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备 加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力 就好比地球引力 也就是重力 加速力可以是个常量 比如g 也可以是变量 加速度计有两种 一种是角加速度计
2、 是由陀螺仪 角速度传感器 的改进的 另一种就是线加速度计 加速度传感器的原理随其应用而不同 有压阻式 电容式 压电式 谐振式 伺服式等 Group3 压阻式加速度传感器 压阻式压阻式器件是最早微型化和商业化的一类加速度传感器 基于世界领先的MEMS硅微加工技术 压阻式加速度传感器具有体积小 低功耗等特点 易于集成在各种模拟和数字电路中 广泛应用于汽车碰撞实验 测试仪器 设备振动监测等领域 Group3 压阻式加速度传感器 作用机理 特点 压阻式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
3、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 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 Group3 压阻式加速度传感器 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
4、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 Group3 构造原理 压阻式加速度传感器 悬臂梁根部的横向受力 Group3 悬臂梁的电阻的相对变化率 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离l 加速度a 悬臂梁分析 压阻式加速度传感器 Group3 信号检测 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 则电桥输出的表达式变为 压阻式加速度传感器 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
5、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 Group3 工艺流程 压阻式加速度传感器 硅微机械加工技术是在传统的集成电路平面工艺的基础上发展起来的 是常规集成电路工艺和硅微机械加工的独特技术的结合 这些独特的加工技术与常规集成电路工艺相结合 才能制作出微电子机械系统 微机械加工技术一般分为体硅微机械加工技术 表面硅微机械加工技术和LIGA技术三类 Group3 工艺流程 压阻式加速度传感器 a 在硅片两侧积淀氮化硅 b 在硅片的前侧积淀第一层多晶硅牺牲层 然后制作第一层 c 在硅片的前侧积淀第二层氮化硅 并在硅片后侧积淀第一层氮化硅 d 制作前侧和后侧 e 积淀并
6、制作金属层 镍 f 各向异性腐蚀来得到沟槽 Group3 工艺流程 电容式加速度传感器 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 Group3 电容式加速度传感器 电容式加速度传感器从力学角度可以看成是一个质量 弹簧 阻尼系统 根据牛顿第二定律可得力学模型为 Group3 力学模型 其中传感器无阻尼自振角频率 传感器阻尼比分别为 对其进行零初始条件下的拉普拉斯变换 可得传递函数为 可见 如果将传
7、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 压阻式加速度传感器 Group3 数学模型 电容式加速度传感器可简化为如图所示的模型 相当于两个电容串联 建立方程得到电容变化与加速度之间的关系为 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 从而可以测得加速度 压阻式加速度传感器 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 基本结构选择需要考虑的条
8、件是 量程 刚性约束条件 弹性约束条件 谐振频率约束 对于梁的选择一般是选择U形折叠梁 即可保证其一定的刚度又可以节省材料 为实现过载保护常采用止挡块结构来限制敏感质量块运动的最大位移 常用材料是二氧化硅 Group3 工艺构造 压阻式加速度传感器 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 DRIE工艺等 下面介绍一下工艺流程 Group3 工艺流程 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 压阻式加速度传感器 Group
9、3 工艺流程 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 压阻式加速度传感器 Group3 工艺流程 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 m的SiO2对称氧化层来隔绝上中下三层 压阻式加速度传感器 Group3 工艺流程 j 随后通过梁结构中间层与上下层连接 K 控制480度的粘接温度随后在1100度下保存一小时 其他类型的加速度传感器 光波导式 新 微谐振式 谐振式加速度传感器是一种典型的微机械惯性器件 基本工作原理是利用振梁的力频
10、特性 通过检测谐振频率变化量获取输入的加速度 新 热对流式 微型热对流加速度计是利用封闭空气囊内的自由热对流对加速度敏感性 两个温度传感器对称地在有气体的腔体两侧 中间有一个热源 新 Group3 目前广泛应用制备光学加速度计的迈克尔逊 马赫 曾德等干涉仪的核心部件都包含3dB耦合器 压电式 压电式加速度传感器是利用某些物质如石英晶体的压电效应 在加速度计受振时 质量块加在压电元件上的力也随之变化 成熟 其他类型加速度传感器 1 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
11、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 Group3 其他类型加速度传感器 2 谐振式加速度计谐振式加速度计 SiliconOscillatingAccelerometer 简称SOA 一根琴弦绷紧程度不同时弹奏出的声音频率也不同 谐振式加速度计的原理与此相同 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
12、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 endedTuningFork 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构 Group3 其他类型加速度传感器 3 热对流加速度计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 Group3 其他类型加速度传感器 4 压电式加速度计压电式加速度计利用了压电效应 通过测量压电材料两级的电势差即可求得其形变压电原理在宏观尺度的加速度计中应用颇为广泛 这类加速度计的构造多为基座和质量块之间夹一压阻材料 Group3 MEMS压电式加速度计MEMS压电式加速度计采用的结构与压阻式微加速度计类似 都是悬臂梁末端加质量块的震动系统 二者差别在于镀在梁上的材料不同 压电式加速度计自然只要镀上压电材料 而非压阻材料 THAT SALL ThankYou MEMS
