而且因為其加工工藝一定程度上與傳統的集成電路工藝兼容，易於實現數字化、智能化以及批量生產
，因而從問世起就引起了廣泛關注,並且在汽車、醫藥
、導航和控製、生化分析、工gong業ye檢jian測ce等deng方fang麵mian得de到dao了le較jiao為wei迅xun速su的de應ying用yong。其qi中zhong加jia速su度du傳chuan感gan器qi就jiu是shi廣guang泛fan應ying用yong的de例li子zi之zhi一yi。加jia速su度du傳chuan感gan器qi的de原yuan理li隨sui其qi應ying用yong而er不bu同tong，有you壓ya阻zu式shi，電dian容rong式shi
，壓ya電dian式shi，諧xie振zhen式shi等deng。

 

 

本文通過不同加速度傳感器的原理、製作工藝及應用展開
，能夠使之更加全麵了解加速度傳感器。

 

壓阻式加速度傳感器

 

MEMS壓阻式加速度傳感器的敏感元件由彈性梁、質量塊、固定框組成。壓阻式加速度傳感器實質上是一個力傳感器
，他是利用用測量固定質量塊在受到加速度作用時產生的力F來測得加速度a的。在目前研究尺度內
，可以認為其基本原理仍遵從牛頓第二定律。也就是說當有加速度a作用於傳感器時，傳感器的慣性質量塊便會產生一個慣性力:F=ma,此慣性力F作用於傳感器的彈性梁上，便會產生一個正比於F的應變。，此時彈性梁上的壓敏電阻也會隨之產生一個變化量△R
，由壓敏電阻組成的惠斯通電橋輸出一個與△R成正比的電壓信號V。

 

 

壓阻式加速度傳感器的原理

 

本係統的信號檢測電路采用壓阻全橋來作為信號檢測電路。

 

電橋采用恒壓源供電，橋壓為。設、為正應變電阻，、為負應變電阻
，則電橋的輸出表達式為:

 

 

我們在電阻布局設計、製造工藝都保證壓敏電阻的一致性，因此可以認為有的壓敏電阻和壓敏電阻的變化量都是相等的，即:

 

則電橋輸出的表達式變為:

 

敏感原理

 

采(cai)用(yong)的(de)是(shi)壓(ya)阻(zu)式(shi)信(xin)號(hao)檢(jian)測(ce)原(yuan)理(li)，其(qi)核(he)心(xin)是(shi)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)的(de)壓(ya)阻(zu)效(xiao)應(ying)。壓(ya)阻(zu)效(xiao)應(ying)是(shi)指(zhi)當(dang)材(cai)料(liao)受(shou)到(dao)外(wai)加(jia)機(ji)械(xie)應(ying)力(li)時(shi)，材(cai)料(liao)的(de)體(ti)電(dian)阻(zu)率(lv)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)的(de)材(cai)料(liao)性(xing)能(neng)。晶(jing)體(ti)結(jie)構(gou)的(de)形(xing)變(bian)破(po)壞(huai)了(le)能(neng)帶(dai)結(jie)構(gou)

，從(cong)而(er)改(gai)變(bian)了(le)電(dian)子(zi)遷(qian)移(yi)率(lv)和(he)載(zai)流(liu)子(zi)密(mi)度(du)，使(shi)材(cai)料(liao)的(de)電(dian)阻(zu)率(lv)或(huo)電(dian)導(dao)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。一(yi)根(gen)金(jin)屬(shu)電(dian)阻(zu)絲(si)
，在(zai)其(qi)未(wei)受(shou)力(li)時(shi)，原(yuan)始(shi)電(dian)阻(zu)值(zhi)為(wei)：

 

式中，電阻絲的電阻率;電阻絲的長度;電阻絲的截麵積。

 

當電阻絲受到拉力作用時

，將伸長，橫截麵積相應減少,電阻率則因晶格發生變形等因素的影響而改變
，故引起電阻值變化。對全微分，並用相對變化量來表示，則有

 

 

壓阻係數

 

最常用的半導體電阻材料有矽和鍺，摻入雜質可形成P型或N型半導體。其壓阻效應是因在外力作用下，原子點陣排列發生變化，導致載流子遷移率及濃度發生變化而形成的。由於半導體(如單晶矽)是各向異性材料
，因此它的壓阻效應不僅與摻雜濃度
、溫度和材料類型有關，還與晶向有關。

 

壓阻效應的強弱可以用壓阻係數來表征。壓阻係數π被bei定ding義yi為wei單dan位wei應ying力li作zuo用yong下xia電dian阻zu率lv的de相xiang對dui變bian化hua。壓ya阻zu效xiao應ying有you各ge向xiang異yi性xing特te征zheng
，沿yan不bu同tong的de方fang向xiang施shi加jia應ying力li和he沿yan不bu同tong方fang向xiang通tong過guo電dian流liu
，其qi電dian阻zu率lv變bian化hua會hui不bu相xiang同tong。晶jing軸zhou坐zuo標biao係xi壓ya阻zu係xi數shu的de矩ju陣zhen可ke寫xie成cheng

 

 

 

MEMS壓阻式加速度傳感器製造工藝

 

為加工出圖示的加速度傳感器,主要采用下列加工手段來實現。采用注入、推進、氧化的創新工藝來製作壓敏電阻；采用KHO各向異性深腐蝕來形成質量塊
；並使用AES來釋放梁和質量塊；最後利用鍵合工藝來得到所需的“三明治”結構。

 

 

（使用的是400μm厚、N型(100)晶向、電阻率p=2-4Ω的雙麵拋光矽片。）

 

結構部分工藝步驟：

 

 

矽帽部分工藝步驟：

 

 

 

 

鍵合、劃片工藝步驟

 

 

電容式加速度傳感器

 

電容式加速度傳感器
，在工業領域有著廣泛的應用，例如發動機，數控車床等等。它具有電路結構簡單，頻率範圍寬約為0～450Hz，線性度小於1%
，lingmindugao
，shuchuwending，wendupiaoyixiao，celiangwuchaxiao，wentaixiangying
，shuchuzukangdi，shuchudianliangyuzhendongjiasududeguanxishijiandanfangbianyiyujisuandengyoudian，juyoujiaogaodeshijiyingyongjiazhi。

 

電容式加速度傳感器原理

 

電容式加速度傳感器是基於電容原理的極距變化型的電容傳感器
，其中一個電極是固定的，另一變化電極是彈性膜片。彈性膜片在外力(氣壓、液壓等)作用下發生位移，使電容量發生變化。這種傳感器可以測量氣流(或液流)的振動速度(或加速度)
，還可以進一步測出壓力。

 

電容器加速度傳感器力學模型

 

電容式加速度傳感器從力學角度可以看成是一個質量—彈簧—阻尼係統，加速度通過質量塊形成慣性力作用於係統，如圖一所示。

 

 

 

 

電容式加速度傳感器數學模型

 

 

 

 

 

電容式加速度傳感器的構造

 

當前大多數的電容式加速度傳感器都是由三部分矽晶體圓片構成的，中層是由雙層的SOI矽片製成的活動電容極板。如圖所示
， zhongjiandehuodongdianrongjibanshiyoubagewanqudanxinglianjieliangsuozhicheng，jiazaishangxiacengliangkuaigudingdedianrongjibanzhijian。tigaojingduhenzhongyaodeyixiangcuoshijiushicaiyongchadongceliangfangshi，jidaditigaolexinzaobi。yinci


，dianrongshiMEMS加速度傳感器幾乎全部采用差動結構。

 

 

 

材料的選擇

 

MEMSjiasudujiyongdaodecailiaobijiaoduo
，butongdebufenhenyoukenengcaiyongbutongdecailiao。liruyongyuzuochendidechendicailiao
，yongyuzuoyanmodeyanmocailiao，yongyubiaomianweijiagongdexishengcengcailiaodengdeng。weijiasudujichangyongdecailiaoyoudanjinggui
、二氧化矽、碳化矽
、氮化矽、多duo晶jing矽gui等deng等deng

，具ju體ti哪na種zhong材cai料liao用yong於yu哪na一yi部bu分fen不bu是shi固gu定ding的de，需xu要yao在zai設she計ji過guo程cheng中zhong根gen據ju其qi物wu理li化hua學xue性xing質zhi以yi及ji在zai加jia速su度du計ji中zhong的de作zuo用yong加jia以yi綜zong合he考kao慮lv。因yin為wei該gai傳chuan感gan器qi動dong態tai要yao求qiu比bi較jiao高gao 

，因此在進行完結構設計，得到結構的尺 寸以後，進行有限元分析是必不可少的。

 

運用有限元分析軟件ANSYS對加速度計模型進行分析
，可以得到下麵的結果 ：

 

(1)進行靜力分析
，可以發現承受應力最大的部位。

 

(2)進行模態分析，可以得到結構的固有頻率和各固有頻率下的振型。

 

(3)進行瞬態動力學分析

，可以得到結構對外界激勵的響應。

 

通過以上有限元分析的結果，可以進一步改進設計，使所設計的加速度計具有更好的性能 。

 

工藝的選擇

 

電容式MEMS加速度計的工藝一般采用的有：表麵工藝、體矽工藝、LIGA工藝及 SOI+DRIE工藝等。如表 3對這幾種工藝進行了對比。

 

biaomiangongyishizaijichengdianlupingmiangongyijichushangfazhanqilaideyizhongweigongyi，zhijinxingdanmianguangke。taliyongguipingmianshangbutongcailiaodeshunxudianjihexuanzefushilaixingchenggezhongweijiegou。zhuyaobaokuoxishengcengdianji
、犧牲層刻蝕、結構層澱積、結構層刻蝕、犧牲層去除(釋放結構)等。最後使結構材料懸空於基片之上，形成各種形狀的二維或三維結構。

 

體(ti)矽(gui)工(gong)藝(yi)是(shi)指(zhi)沿(yan)著(zhe)矽(gui)襯(chen)底(di)的(de)厚(hou)度(du)方(fang)向(xiang)對(dui)矽(gui)襯(chen)底(di)進(jin)行(xing)刻(ke)蝕(shi)的(de)工(gong)藝(yi)

，包(bao)括(kuo)濕(shi)法(fa)刻(ke)蝕(shi)和(he)幹(gan)法(fa)刻(ke)蝕(shi)

，是(shi)實(shi)現(xian)三(san)維(wei)結(jie)構(gou)的(de)重(zhong)要(yao)方(fang)法(fa)。為(wei)了(le)形(xing)成(cheng)完(wan)整(zheng)的(de)微(wei)結(jie)構(gou)，往(wang)往(wang)在(zai)加(jia)工(gong)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)用(yong)到(dao)鍵(jian)合(he)或(huo)粘(zhan)接(jie)技(ji)術(shu)，將(jiang)矽(gui)的(de)鍵(jian)合(he)技(ji)術(shu)和(he)體(ti)矽(gui)加(jia)工(gong)方(fang)法(fa)結(jie)合(he)起(qi)來(lai)。矽(gui)的(de)微(wei)結(jie)構(gou)經(jing)過(guo)多(duo)次(ci)掩(yan)膜(mo)
、danmianhuoshuangmianguangkeyijigexiangyixingkeshidenggongyiercheng，ranhoujiangyouguanbufenjingmiduizhunjianhechengyizhengti。tiguijiagonggongyiguochengbiguibiaomianjiagongfuza，tijida，chengbengao。

 

SO1+DRIE工藝是體矽工藝的一種延伸與發展。利用絕緣體上矽(SOI)製造單晶矽三維微 結構是最近幾年發展異常迅速的方法。利用SOI製造微結構的方法幾乎都是利用DINE(深反應離子刻蝕)對單晶矽進行深刻蝕。根據結構的不同、性能要求等可采用正麵結構釋放和背麵結構釋放。

 

光波導加速度計

 

光波導加速度計的原理如下圖所示：光源從波導1進入
，經過分束部分後分成兩部分分別通入波導4和波導2，進入波導4的一束直接被探測器2探測
，而進入波導2的一束會經過一段微小的間隙後進入波導3，最終被探測器1探測到。有加速度時
，質量塊會使得波導2彎曲，進而導至其與波導3的正對麵積減小，使探測器1探測到的光減弱。通過比較兩個探測器檢測到的信號即可求得加速度。

 

 

微諧振式加速度計

 

諧振式加速度計
，Silicon Oscillating Accelerometer，簡稱SOA。

 

一yi根gen琴qin弦xian繃beng緊jin程cheng度du不bu同tong時shi彈dan奏zou出chu的de聲sheng音yin頻pin率lv也ye不bu同tong，諧xie振zhen式shi加jia速su度du計ji的de原yuan理li與yu此ci相xiang同tong。振zhen梁liang一yi端duan固gu定ding，另ling一yi端duan鏈lian接jie一yi質zhi量liang塊kuai


，當dang振zhen梁liang軸zhou線xian方fang向xiang有you加jia速su度du時shi梁liang會hui受shou到dao軸zhou線xian方fang向xiang的de力li
，梁liang中zhong張zhang力li變bian化hua，其qi固gu有you頻pin率lv也ye相xiang應ying發fa生sheng變bian化hua。若ruo對dui梁liang施shi加jia一yi確que定ding的de激ji振zhen，檢jian測ce其qi響xiang應ying就jiu可ke測ce出chu其qi固gu有you頻pin率lv
，進jin而er測ce出chu加jia速su度du。激ji振zhen的de施shi加jia和he響xiang應ying的de檢jian測ce通tong常chang都dou是shi通tong過guo梳shu齒chi機ji構gou實shi現xian的de。

 

SOA的特點在於，它是通過改變二階係統本身的特性來反映加速度的變化的，這區別與電容式、壓電式和光波導式的加速度計。

 

SOA常見的結構有S結構和雙端固定音叉（Double-ended Tuning Fork
，DETF）兩種。S結構原理圖如下圖所示，DEFT式就是在質量塊的另一半加上和左邊對稱的一套機構。DEFT是目前SOA的主流結構。

 

 

熱對流加速度計

 

熱(re)對(dui)流(liu)加(jia)速(su)度(du)的(de)原(yuan)理(li)與(yu)其(qi)他(ta)加(jia)速(su)度(du)計(ji)有(you)根(gen)本(ben)上(shang)的(de)區(qu)別(bie)
，其(qi)他(ta)加(jia)速(su)度(du)計(ji)的(de)原(yuan)理(li)都(dou)是(shi)建(jian)立(li)在(zai)一(yi)個(ge)二(er)階(jie)係(xi)統(tong)的(de)基(ji)礎(chu)之(zhi)上(shang)
，而(er)熱(re)對(dui)流(liu)加(jia)速(su)度(du)計(ji)采(cai)用(yong)的(de)是(shi)完(wan)全(quan)不(bu)同(tong)的(de)原(yuan)理(li)。

 

一(yi)個(ge)被(bei)放(fang)置(zhi)在(zai)芯(xin)片(pian)中(zhong)央(yang)的(de)熱(re)源(yuan)在(zai)一(yi)個(ge)空(kong)腔(qiang)中(zhong)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)懸(xuan)浮(fu)的(de)熱(re)氣(qi)團(tuan)，同(tong)時(shi)由(you)鋁(lv)和(he)多(duo)晶(jing)矽(gui)組(zu)成(cheng)的(de)熱(re)電(dian)偶(ou)組(zu)被(bei)等(deng)距(ju)離(li)對(dui)稱(cheng)地(di)放(fang)置(zhi)在(zai)熱(re)源(yuan)的(de)四(si)個(ge)方(fang)向(xiang)。在(zai)未(wei)受(shou)到(dao)加(jia)速(su)度(du)或(huo)水(shui)平(ping)放(fang)置(zhi)時(shi)，溫(wen)度(du)的(de)下(xia)降(jiang)陡(dou)度(du)是(shi)以(yi)熱(re)源(yuan)為(wei)中(zhong)心(xin)完(wan)全(quan)對(dui)稱(cheng)的(de)。此(ci)時(shi)所(suo)有(you)四(si)個(ge)熱(re)電(dian)偶(ou)組(zu)因(yin)感(gan)應(ying)溫(wen)度(du)而(er)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)壓(ya)是(shi)相(xiang)同(tong)的(de)（見下圖）。youyuziyouduiliurechangdechuandixing，renhefangxiangdejiasududouhuiraoluanrechangdelunkuo，congerdaozhiqibuduicheng。cishisigeredianouzudeshuchudianyahuichuxianchayi，erredianouzushuchudianyadechayishizhijieyusuoganyingdejiasuduchengbilide。zaijiasuduchuanganqineibuyouliangtiaowanquanxiangtongdejiasuduxinhaochuanshulujing：一條是用於測量X軸上所感應的加速度
，另一條則用於測量Y軸上所感應的加速度。

 

 

由(you)於(yu)熱(re)對(dui)流(liu)加(jia)速(su)度(du)計(ji)中(zhong)沒(mei)有(you)可(ke)運(yun)動(dong)的(de)質(zhi)量(liang)塊(kuai)，所(suo)以(yi)其(qi)製(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)相(xiang)對(dui)簡(jian)單(dan)，也(ye)比(bi)較(jiao)容(rong)易(yi)加(jia)工(gong)，而(er)且(qie)其(qi)抗(kang)衝(chong)擊(ji)性(xing)能(neng)非(fei)常(chang)好(hao)，可(ke)抗(kang)五(wu)萬(wan)倍(bei)重(zhong)力(li)加(jia)速(su)度(du)的(de)加(jia)速(su)度(du)。但(dan)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)對(dui)熱(re)對(dui)流(liu)加(jia)速(su)度(du)計(ji)的(de)影(ying)響(xiang)較(jiao)大(da)，而(er)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)會(hui)導(dao)致(zhi)零(ling)點(dian)漂(piao)移(yi)
；同時熱對流加速度計的頻響範圍低
，通常是小於35Hz。

 

壓電式加速度計

 

壓ya電dian式shi加jia速su度du計ji的de數shu學xue和he物wu理li模mo型xing與yu壓ya阻zu式shi和he電dian容rong式shi的de加jia速su度du計ji類lei似si，都dou是shi通tong過guo測ce量liang二er階jie係xi統tong中zhong質zhi量liang塊kuai的de位wei移yi來lai間jian接jie測ce量liang加jia速su度du
，三san者zhe的de差cha別bie就jiu是shi在zai於yu測ce量liang這zhe個ge質zhi量liang塊kuai位wei移yi的de方fang法fa。

 

壓(ya)電(dian)式(shi)加(jia)速(su)度(du)計(ji)利(li)用(yong)了(le)壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)
，或(huo)者(zhe)更(geng)確(que)切(qie)地(di)說(shuo)

，是(shi)利(li)用(yong)了(le)正(zheng)壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)，即(ji)某(mou)些(xie)電(dian)介(jie)質(zhi)在(zai)沿(yan)一(yi)定(ding)方(fang)向(xiang)上(shang)受(shou)到(dao)外(wai)力(li)的(de)作(zuo)用(yong)而(er)變(bian)形(xing)時(shi)其(qi)內(nei)部(bu)產(chan)生(sheng)極(ji)化(hua)現(xian)象(xiang)


，同(tong)時(shi)在(zai)它(ta)的(de)兩(liang)個(ge)相(xiang)對(dui)表(biao)麵(mian)上(shang)出(chu)現(xian)正(zheng)負(fu)相(xiang)反(fan)的(de)電(dian)荷(he)。通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)兩(liang)級(ji)的(de)電(dian)勢(shi)差(cha)即(ji)可(ke)求(qiu)得(de)其(qi)形(xing)變(bian)壓(ya)電(dian)原(yuan)理(li)在(zai)宏(hong)觀(guan)尺(chi)度(du)的(de)加(jia)速(su)度(du)計(ji)中(zhong)應(ying)用(yong)頗(po)為(wei)廣(guang)泛(fan)，這(zhe)類(lei)加(jia)速(su)度(du)計(ji)的(de)構(gou)造(zao)多(duo)為(wei)基(ji)座(zuo)和(he)質(zhi)量(liang)塊(kuai)之(zhi)間(jian)夾(jia)一(yi)壓(ya)阻(zu)材(cai)料(liao)（如下圖）。

 

 

而MEMS壓電式加速度計采用的結構與壓阻式微加速度計類似（如下圖），都是懸臂梁末端加質量塊的震動係統，二者差別在於鍍在梁上的材料不同，壓電式加速度計自然隻要鍍上壓電材料，而非壓阻材料。

 

 

本文轉載自傳感器技術。

 

 

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