MEMS加速度傳感器的原理與構造介紹

隨著硅微機械加工技術(MEMS)的迅猛發展,各種基于MEMS技術的器件也應運而生,目前已經得到廣泛應用的就有壓力傳感器、加速度傳感器、光開關等等,它們有著體積小、質量輕、成本低、功耗低、可靠性高等特點，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，易于實現數字化、智能化以及批量生產，因而從問世起就引起了廣泛關注,并且在汽車、醫藥、導航和控制、生化分析、工業檢測等方面得到了較為迅速的應用。其中加速度傳感器就是廣泛應用的例子之一。加速度傳感器的原理隨其應用而不同，有壓阻式，電容式，壓電式，諧振式等。

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作用于傳感器時，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作用于傳感器的彈性梁上，便會產生一個正比于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

本系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、制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

采用的是壓阻式信號檢測原理，其核心是半導體材料的壓阻效應。壓阻效應是指當材料受到外加機械應力時，材料的體電阻率發生變化的材料性能。晶體結構的形變破壞了能帶結構，從而改變了電子遷移率和載流子密度，使材料的電阻率或電導發生變化。一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：

式中，電阻絲的電阻率;電阻絲的長度;電阻絲的截面積。

當電阻絲受到拉力作用時，將伸長?，橫截面積相應減少,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，并用相對變化量來表示，則有

壓阻系數

最常用的半導體電阻材料有硅和鍺，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。由于半導體(如單晶硅)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系數來表征。壓阻系數π被定義為單位應力作用下電阻率的相對變化。壓阻效應有各向異性特征，沿不同的方向施加應力和沿不同方向通過電流，其電阻率變化會不相同。晶軸坐標系壓阻系數的矩陣可寫成

MEMS壓阻式加速度傳感器制造工藝

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、氧化的創新工藝來制作壓敏電阻；采用KHO各向異性深腐蝕來形成質量塊；并使用AES來釋放梁和質量塊；最后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的雙面拋光硅片。）

結構部分工藝步驟：

硅帽部分工藝步驟：

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，頻率范圍寬約為0～450Hz，線性度小于1%，靈敏度高，輸出穩定，溫度漂移小，測量誤差小，穩態響應，輸出阻抗低，輸出電量與振動加速度的關系式簡單方便易于計算等優點，具有較高的實際應用價值。

電容式加速度傳感器原理

電容式加速度傳感器是基于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—阻尼系統，加速度通過質量塊形成慣性力作用于系統，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硅晶體圓片構成的，中層是由雙層的SOI硅片制成的活動電容極板。如圖所示， 中間的活動電容極板是由八個彎曲彈性連接梁所支撐，夾在上下層兩塊固定的電容極板之間。提高精度很重要的一項措施就是采用差動測量方式，極大地提高了信噪比。因此，電容式MEMS加速度傳感器幾乎全部采用差動結構。

材料的選擇

MEMS加速度計用到的材料比較多，不同的部分很有可能采用不同的材料。例如用于做襯底的襯底材料，用于做掩膜的掩膜材料，用于表面微加工的犧牲層材料等等。微加速度計常用的材料有單晶硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、多晶硅等等，具體哪種材料用于哪一部分不是固定的，需要在設計過程中根據其物理化學性質以及在加速度計中的作用加以綜合考慮。因為該傳感器動態要求比較高 ，因此在進行完結構設計，得到結構的尺 寸以后，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，可以得到下面的結果 ：

(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：表面工藝、體硅工藝、LIGA工藝及 SOI+DRIE工藝等。如表 3對這幾種工藝進行了對比。

表面工藝是在集成電路平面工藝基礎上發展起來的一種微工藝，只進行單面光刻。它利用硅平面上不同材料的順序淀積和選擇腐蝕來形成各種微結構。主要包括犧牲層淀積、犧牲層刻蝕、結構層淀積、結構層刻蝕、犧牲層去除(釋放結構)等。最后使結構材料懸空于基片之上，形成各種形狀的二維或三維結構。

體硅工藝是指沿著硅襯底的厚度方向對硅襯底進行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實現三維結構的重要方法。為了形成完整的微結構，往往在加工的基礎上用到鍵合或粘接技術，將硅的鍵合技術和體硅加工方法結合起來。硅的微結構經過多次掩膜、單面或雙面光刻以及各向異性刻蝕等工藝而成，然后將有關部分精密對準鍵合成一整體。體硅加工工藝過程比硅表面加工復雜，體積大，成本高。

SO1+DRIE工藝是體硅工藝的一種延伸與發展。利用絕緣體上硅(SOI)制造單晶硅三維微 結構是最近幾年發展異常迅速的方法。利用SOI制造微結構的方法幾乎都是利用DINE(深反應離子刻蝕)對單晶硅進行深刻蝕。根據結構的不同、性能要求等可采用正面結構釋放和背面結構釋放。

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，經過分束部分后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后進入波導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的正對面積減小，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。

一根琴弦繃緊程度不同時彈奏出的聲音頻率也不同，諧振式加速度計的原理與此相同。振梁一端固定，另一端鏈接一質量塊，當振梁軸線方向有加速度時梁會受到軸線方向的力，梁中張力變化，其固有頻率也相應發生變化。若對梁施加一確定的激振，檢測其響應就可測出其固有頻率，進而測出加速度。激振的施加和響應的檢測通常都是通過梳齒機構實現的。

SOA的特點在于，它是通過改變二階系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

熱對流加速度的原理與其他加速度計有根本上的區別，其他加速度計的原理都是建立在一個二階系統的基礎之上，而熱對流加速度計采用的是完全不同的原理。

一個被放置在芯片中央的熱源在一個空腔中產生一個懸浮的熱氣團，同時由鋁和多晶硅組成的熱電偶組被等距離對稱地放置在熱源的四個方向。在未受到加速度或水平放置時，溫度的下降陡度是以熱源為中心完全對稱的。此時所有四個熱電偶組因感應溫度而產生的電壓是相同的（見下圖）。由于自由對流熱場的傳遞性，任何方向的加速度都會擾亂熱場的輪廓，從而導致其不對稱。此時四個熱電偶組的輸出電壓會出現差異，而熱電偶組輸出電壓的差異是直接與所感應的加速度成比例的。在加速度傳感器內部有兩條完全相同的加速度信號傳輸路徑：一條是用于測量X軸上所感應的加速度，另一條則用于測量Y軸上所感應的加速度。

由于熱對流加速度計中沒有可運動的質量塊，所以其制造工藝相對簡單，也比較容易加工，而且其抗沖擊性能非常好，可抗五萬倍重力加速度的加速度。但環境溫度對熱對流加速度計的影響較大，而溫度變化會導致零點漂移；同時熱對流加速度計的頻響范圍低，通常是小于35Hz。

壓電式加速度計

壓電式加速度計的數學和物理模型與壓阻式和電容式的加速度計類似，都是通過測量二階系統中質量塊的位移來間接測量加速度，三者的差別就是在于測量這個質量塊位移的方法。

壓電式加速度計利用了壓電效應，或者更確切地說，是利用了正壓電效應，即某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時其內部產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。通過測量壓電材料兩級的電勢差即可求得其形變壓電原理在宏觀尺度的加速度計中應用頗為廣泛，這類加速度計的構造多為基座和質量塊之間夾一壓阻材料（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系統，二者差別在于鍍在梁上的材料不同，壓電式加速度計自然只要鍍上壓電材料，而非壓阻材料。