MEMS加速度传感器的原理及分析.pdf

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1、万方数据电子工艺技术Elechunie8Proces81bdmolo盯第24卷第6期2003年11月MEMS加速度传感器的原理及分析张海涛，阎贵平(山西科泰微技术有限公司，山西太原030006)摘要：主要介绍了五种目前常见的基于MEMs技术的加速度传感器，从物理结构的角度对这几种传感器的测量原理进行了分析，不但着重介绍了已经较为成熟且形成产业化的硅微电容式、压阻式、热电耦式加速度传感器，而且对目前较为前沿的光波导式加速度传感器也进行了一些分析和介绍。关键词：硅微机械加工技术；加速度传感器；封装中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：10

2、01—3474(2003)06—0260一03PrincipleandAnalysisofMEMSAccelerationSensorzHANGlbi一衄o，YANGIli一衄(sh蛐对K0埘^恤m酬q岫Co．Ltd，TajyIlan岫姗6，ali啮)Ak由麓ct：MainlyimrUduce6ve“rldsof00Ir吼。舾ac叫emtionsensorsbased叫MEMSteclmo】o科atpre—sent，anaIysedthenleasu础nen‘pdnciples0f山esekinds0fse姗inte瑚_1s0fphysics

3、s恤cture，recorrunendin-dustrializedsensors，such鹅silicon埘cmc印日c畸acceleronleter，piez0一咒sisitarlceaccelemmeter，t11ennoelec一确c删plillgacce】e哪eter，imroduceadvanoed叩ⅡcalwavegLIideacoele姗eter．№rwofds：MEMs；Accelemtionsensor；PackagillgD‘KⅢ眦ntC0de：A舢嘣deⅢ：1001—3474(2003)06一0260一03随着硅微机械

4、加工技术(MEMs)的迅猛发展，各种基于MEMs技术的器件也应运而生，目前已经得到广泛应用的就有压力传感器、加速度传感器、光开关等等，它们有着体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高等特点，而且因为其加工工艺一定程度上与传统的集成电路工艺兼容，易于实现数字化、智能化以及批量生产，因而从问世起就引起了广泛关注，并且在汽车、医药、导航和控制、生化分析、工业检测等方面得到了较为迅速的应用。以下就笔者所了解的几种基于不同原理的硅微加速度传感器向大家做一简单介绍。l硅微电容式加速度传感器硅微电容式加速度传感器的敏感部分通常为梳齿结构，如图1所示，其扫描

5、电镜显微照片如图2所示。敏感元件由活动部分A、B和固定电极三部分组成。其中，活动部分由超静定梁、质量块以及与质量块相连的活动电极组成。整个梳齿结构分成A和B两部分，固定电极分成固定电极a和固定电极b。固定电极a与上半部分话动电极组成电容ca，固定电极b与下半部分活动电极组成电容cb。设计时，将上、下极板不同区域的电极的引线分开，实验时，可根据需要将其短接或分开接。当有加速度n．输入时，惯性力使活动极板产生1个偏角a，使电容器c1的电容量增加，c2的电容量减小，通过线路转换，把电容器cl、c2的电容量转换成电信号，经相敏放大后把输出电压反馈到电

6、容静电力矩器，基金项目：2003年度国家莺点新产品计划项目(编号为2003ED630010)。被省经贸委列为“2003年度省级技术创新项目”。作者简介：张海涛，本科，毕业于西安电子科技大学，主要方向为硅微加速度传感器的封装工艺。万方数据2003年11月张海涛等：ME瑙加速度传感器的原理及分析电容力矩器产生的静电力矩与惯性力矩平衡，使活动质量块保持在原有的平衡位置，通过反馈电压的正负和大小来度量输入加速度的方向和大小。图1电容式传感器结构原理图式中：o一惯性加速度；m一质量块质量；d一上、下电容间隙；s一电容极板总面积：e—介电常数；yDc一直

7、流偏压。所以％为常数，表明加速度与反馈电压成正比，这意味着传感器输出线性地反映了其感受的加速度大小。图3电容式微加速度计工作原理框图采用MEMs有关工艺制成的微加速度计，其敏感芯片的体积仅5mm见方，和成人的小指甲盖大小差不多，比采用精密机械加工成的加速度计小1—2个数量级。由于其质量小，因此能承受高冲击，实验测试这种原理的微加速度计在不加电状态下z、nz三个方向至少可以承受数百乃至数千g以上的冲击。2硅徽压阻式加速度传感器图2电容式传感器扫描电镜图半导体单晶硅材料在受到外力作用，会产生肉硅微电容式加速度计的工作原理如图3所示。眼察觉不到的极

8、微小应变，其原子结构内部的电子在受到加速度作用时，在惯性力一，m作用下，检测能级状态发生变化，从而导致其电阻率剧烈的变化，质量块在=方向运动。这使动极板两侧的电容c