一種MEMS壓阻式微加速度計(jì)設(shè)計(jì)與制造AkindofdesignandmanufacturinghasMEMSpiezoresistiveaccelerometer

目錄MEMS加速度計(jì)簡(jiǎn)介MEMS壓阻式加速度計(jì)設(shè)計(jì)原理MEMS壓阻式加速度計(jì)主要制造工藝總結(jié)與體會(huì)微加速度計(jì)

微加速度計(jì)就是使用MEMS技術(shù)制造的加速度計(jì)。由于采用了微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，使得其尺寸大大縮小，一個(gè)MEMS加速度計(jì)只有指甲蓋的幾分之一大小。微加速度計(jì)是慣性傳統(tǒng)器件的代表，其理論基礎(chǔ)是牛頓第二定律。MEMS加速度計(jì)簡(jiǎn)介微加速度計(jì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及應(yīng)用微加速度傳感器的研究開(kāi)始于70年初，是繼微壓力傳感器之后第二個(gè)進(jìn)入市場(chǎng)的微機(jī)械傳感器。目前國(guó)外在微加速度傳感器方面做的比較好的主要有：美國(guó)加州大學(xué)Berkley分校、德國(guó)Dresden大學(xué)、日本Toyohashi大學(xué)，美國(guó)AD公司（ADXL50）等]1[。我國(guó)在這方面的研究起步比較晚，距離產(chǎn)業(yè)化還有很多路要走。目前微機(jī)電加速度傳感器的工作原理主要有壓阻式、電容式、壓電式、力平衡式、微機(jī)械熱對(duì)流式和微機(jī)械諧振式等。微加速度計(jì)典型汽車用產(chǎn)品1991年AD（AnalogDevices）公司生產(chǎn)出的第一個(gè)商用多晶硅表面微機(jī)械電容式加速度計(jì)AXDL-501995年美國(guó)的AD公司生產(chǎn)制造了5g的低加速度值汽車用加速度計(jì)九十年代初ADI的氣囊微加速度計(jì)微加速度計(jì)發(fā)展趨勢(shì)國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究還存在很多問(wèn)題，有很多共性難題沒(méi)有解決，如：(1)微結(jié)構(gòu)的振動(dòng)質(zhì)量比較小，產(chǎn)生的輸出信號(hào)非常微弱，基本上與機(jī)械噪聲以及電噪聲同數(shù)量級(jí)，因此弱電量檢測(cè)以及噪聲抑制成為提高加速度計(jì)性能的難題;(2)微結(jié)構(gòu)的遲滯和溫漂是影響微加速度計(jì)精度的重要因素，如何改善結(jié)構(gòu)減小遲滯效應(yīng)，采取措施降低溫漂的影響，是微加速度計(jì)實(shí)用化的重要課題;(3)微加速度計(jì)存在明顯的橫向干擾，如何采用合理的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在各方向解耦，并且通過(guò)合理布置檢測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)橫向干擾的抑制，也是研究的重要內(nèi)容;(4)除了基于半導(dǎo)體平面工藝的特殊結(jié)構(gòu)電容式加速度計(jì)成本較低，利于批量生產(chǎn)外（例如AD公司的微加速度計(jì)系列），其他原理的加速度計(jì)的制作成本相對(duì)較高，不利于批量生產(chǎn);針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)進(jìn)行了充分的研究。采用相關(guān)雙采樣接口電路能提高微弱信號(hào)的檢測(cè)能力，降低電路噪聲干擾。利用靜電力平衡實(shí)現(xiàn)微加速度計(jì)的閉環(huán)控制，提高器件的動(dòng)態(tài)性能，避免支撐梁發(fā)生大形變，降低傳感器的遲滯和非線性影響，提高器件的可靠性。也有學(xué)者采用在線溫度補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微加速度計(jì)溫漂補(bǔ)償。同時(shí)微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步和工藝水平的提高，也給微加速度計(jì)的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。通過(guò)了解國(guó)內(nèi)外微加速度計(jì)的研究動(dòng)態(tài)，分析其研究特點(diǎn)，總結(jié)出微加速度計(jì)以下幾點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì):(1)高分辨率和大量程的微硅加速度計(jì)成為研究的重點(diǎn)。由于慣性質(zhì)量塊比較小，所以用來(lái)測(cè)量加速度和角速度的慣性力也相應(yīng)比較小，系統(tǒng)的靈敏度相對(duì)較低，這樣開(kāi)發(fā)出高靈敏度的加速度計(jì)顯得尤為重要。無(wú)論是民用還是軍事用途，精度高、量程大的微加速度計(jì)將會(huì)大大拓寬其運(yùn)用范圍。(2)溫漂小、遲滯效應(yīng)小成為新的性能目標(biāo)，選擇合適的材料，采用合理的結(jié)構(gòu)，以及應(yīng)用新的低成本溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，能夠大幅度提高微加速度計(jì)的精度。(3)多軸加速度計(jì)的開(kāi)發(fā)成為新的方向。已經(jīng)有文獻(xiàn)報(bào)道開(kāi)發(fā)出三軸微硅加速度計(jì)，但是其性能離實(shí)用還有一段距離，多軸加速度計(jì)的解耦是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。(4)將微加速度計(jì)表頭和信號(hào)處理電路集成在單片基體上，也能夠減小信號(hào)傳輸損耗，降低電路噪聲，抑制電路寄生電容的干擾。(5)選擇合理的工藝手段，降低制作成本，為微加速度計(jì)批量化生產(chǎn)提供工藝路線;同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化微機(jī)電系統(tǒng)工藝，為微加速度計(jì)投片生產(chǎn)提供一套利于操作、重復(fù)性好的工藝方法，也是微硅加速度計(jì)發(fā)展的重要方向。微加速度計(jì)的特點(diǎn)微加速度計(jì)具有尺寸小、重量輕、成本低、易集成、功耗小等特點(diǎn)微加速度計(jì)的性能指標(biāo)１.量程２.靈敏度：降低剛度，增加質(zhì)量３.動(dòng)態(tài)范圍：提高加速度計(jì)的固有頻率，但這與提高靈敏度有矛盾４.反應(yīng)時(shí)間：提高固有頻率微加速度計(jì)基本原理質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)方程無(wú)阻尼固有頻率阻尼比品質(zhì)因子拉氏變換得傳遞函數(shù)的幅值和相位分別為傳遞函數(shù)幅值由圖可見(jiàn)，為提高靈敏度，需要降低固有頻率。降低固有頻率有兩個(gè)方案：降低剛度或增大質(zhì)量。在單位階躍加速度作用下的響應(yīng)為其中由圖可見(jiàn)，對(duì)于開(kāi)環(huán)速度傳感器，為提高速度，傳感器應(yīng)該有較大的阻尼比（即品質(zhì)因子）。若采用反饋控制，相對(duì)位移基本被控在零位，可以采用小阻尼或大品質(zhì)因子微加速度計(jì)的分類根據(jù)有無(wú)反饋信號(hào)：１.微型開(kāi)環(huán)加速度計(jì)２.微型閉環(huán)加速度計(jì)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式：１.梳齒式微機(jī)電加速度計(jì)２.“蹺蹺板”擺式微加速度計(jì)３.“三明治”擺式微加速度計(jì)４.靜電懸浮式微加速度計(jì)按敏感信號(hào)方式：１.微型電容式加速度計(jì)２.微型壓阻式加速度計(jì)３.微型壓電式加速度計(jì)４.隧道電流式加速度計(jì)５.熱對(duì)流式微加速度計(jì)按敏感軸數(shù)量：１.單軸微加速度計(jì)２.雙軸微加速度計(jì)３.三軸微加速度計(jì)按加工方式：１.微機(jī)械表面加工加速度計(jì)２.微機(jī)械體加工加速度計(jì)

壓阻式微加速度計(jì)是由懸臂梁和質(zhì)量塊以及布置在梁上的壓阻組成，橫梁和質(zhì)量塊常為硅材料。當(dāng)懸臂梁發(fā)生變形時(shí)，其固定端一側(cè)變形量最大，故壓阻薄膜材料就被布置在懸臂梁固定端一側(cè)（如圖所示）。當(dāng)有加速度輸入時(shí)，懸臂梁在質(zhì)量塊受到的慣性力牽引下發(fā)生變形，導(dǎo)致固連的壓阻膜也隨之發(fā)生變形，其電阻值就會(huì)由于壓阻效應(yīng)而發(fā)生變化，導(dǎo)致壓阻兩端的檢測(cè)電壓值發(fā)生變化，從而可以通過(guò)確定的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出輸入加速度與輸出電壓值的關(guān)系。MEMS壓阻式加速度計(jì)設(shè)計(jì)原理壓阻式微加速度計(jì)原理圖電阻半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)為電阻率