MEMS加速度传感器的原理与构造介绍.doc

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1、MEMS加速度传感器的原理与构造介绍　　本文通过不同加速度传感器的原理、制作工艺及应用展开，能够使之更加全面了解加速度传感器。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的应变。，此时弹性梁上的压敏电阻

2、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。压阻式加速度传感器的原理　　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。　　电桥采用恒压源供电，桥压为。设、为正应变电阻，、为负应变电阻，则电桥的输出表达式为:　　　　　　我们在电阻布局设计、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:　　敏感原理　　采用的是压阻式信号检测原理，其核心是半导体材料的压阻效应。压阻效应是指当材料受到外加机械应力时，材料的体电阻率发生变化的

3、材料性能。晶体结构的形变破坏了能带结构，从而改变了电子迁移率和载流子密度，使材料的电阻率或电导发生变化。一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：　　　　式中，电阻丝的电阻率;电阻丝的长度;电阻丝的截面积。　　当电阻丝受到拉力作用时，将伸长，横截面积相应减少,电阻率则因晶格发生变形等因素的影响而改变，故引起电阻值变化。对全微分，并用相对变化量来表示，则有　　　　压阻系数　　最常用的半导体电阻材料有硅和锗，掺入杂质可形成P型或N型半导体。其压阻效应是因在外力作用下，原子点阵排列发生变化，导致载流子迁移率及浓度发生变化而形成的。由于半导体(如单晶

4、硅)是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关。　　压阻效应的强弱可以用压阻系数来表征。压阻系数π被定义为单位应力作用下电阻率的相对变化。压阻效应有各向异性特征，沿不同的方向施加应力和沿不同方向通过电流，其电阻率变化会不相同。晶轴坐标系压阻系数的矩阵可写成　　　　MEMS压阻式加速度传感器制造工艺　　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

5、治”结构。　　（使用的是400μm厚、N型(100)晶向、电阻率p=2-4Ω的双面抛光硅片。）结构部分工艺步骤：　　　　硅帽部分工艺步骤：　　　　　　键合、划片工艺步骤　　电容式加速度传感器　　电容式加速度传感器，在工业领域有着广泛的应用，例如发动机，数控车床等等。它具有电路结构简单，频率范围宽约为0～450Hz，线性度小于1%，灵敏度高，输出稳定，温度漂移小，测量误差小，稳态响应，输出阻抗低，输出电量与振动加速度的关系式简单方便易于计算等优点，具有较高的实际应用价值。电容式加速度传感器原理　　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

6、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。　　电容器加速度传感器力学模型　　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，加速度通过质量块形成惯性力作用于系统，如图一所示。　　　　电容式加速度传感器数学模型　　　　　　电容式加速度传感器的构造　　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。如图所示，中间的活动电容极板

7、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。提高精度很重要的一项措施就是采用差动测量方式，极大地提高了信噪比。因此，电容式MEMS加速度传感器几乎全部采用差动结构。　　材料的选择　　MEMS加速度计用到的材料比较多，不同的部分很有可能采用不同的材料。例如用于做衬底的衬底材料，用于做掩膜的掩膜材料，用于表面微加工的牺牲层材料等等。微加速度计常用的材料有单晶硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、多晶硅等等，具体哪种材料用于哪一部分不是固定的，需要在设计过程中根据其物理化学性质以及在加速度计中的作用加以综合考虑。因为该传感器动态要求比较高

8、，因此在进行完结构设计，得到结构的尺寸以后，进行有限元分析是必不可少的。　　运用有限元分析软件ANSYS对加速度计模型进行分析，可以得到下面的结果：