免費(fèi)的MEMS微加速度計(jì)的設(shè)計(jì)與性能控制(一)

1、免費(fèi)的MEMS微加速度計(jì)的設(shè)計(jì)與性能控制(一)MEMS微加速度計(jì)的設(shè)計(jì)與性能控制摘要 目前研究較多、具有良好應(yīng)用前景的微加速度計(jì)是依托微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加工技術(shù)制作而成的微加速度計(jì)，其中尤以電容式加速度計(jì)最為重要。它具有結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、制作工藝與常規(guī)微電子加工工藝兼容、靈敏度高、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。本文針對(duì)電容式微加速度計(jì)的使用要求，分析其結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)其互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體（CMOS）的制造工藝特點(diǎn)也做了簡(jiǎn)要描述。論文主要給出了其核心部件-執(zhí)行器的設(shè)計(jì)，定量給出了彈簧的勁度系數(shù)、阻尼因子等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，并分析了它們對(duì)加速度計(jì)性能的影響。關(guān)鍵詞 微加速度計(jì)，CMOS-MEMS結(jié)構(gòu)，電容，

2、勁度系數(shù)，阻尼因子一 引言MEMS是英文MicroElectroMechanical Systems的縮寫，即微電子機(jī)械系統(tǒng)。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)（micro/nanotechnology）基礎(chǔ)上的21世紀(jì)前沿技術(shù)，是指對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù)。它可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部件、電控系統(tǒng)集成為一個(gè)整體單元的微型系統(tǒng)。這種微電子機(jī)械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部的指令采取行動(dòng)。它用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術(shù))相結(jié)合的制造工藝，制造出各

3、種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和微系統(tǒng)。微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）是近年來發(fā)展起來的一種新型多學(xué)科交叉的技術(shù)，該技術(shù)將對(duì)未來人類生活產(chǎn)生革命性的影響，它涉及機(jī)械、電子、化學(xué)、物理、光學(xué)、生物、材料等多學(xué)科。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，慣性傳感器件在過去的幾年中成為最成功,應(yīng)用最廣泛的微機(jī)電系統(tǒng)器件之一，而微加速度計(jì)（microaccelerometer）就是慣性傳感器件的杰出代表。微加速度計(jì)的理論基礎(chǔ)就是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理，在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部，速度是無法測(cè)量的，但卻可以測(cè)量其加速度。如果初速度已知，就可以通過積分計(jì)算出線速度，進(jìn)而可以計(jì)算出直線位移。結(jié)合陀螺儀（用來

4、測(cè)角速度），就可以對(duì)物體進(jìn)行精確定位。根據(jù)這一原理，人們很早就利用加速度計(jì)和陀螺進(jìn)行輪船，飛機(jī)和航天器的導(dǎo)航，近年來，人們又把這項(xiàng)技術(shù)用于汽車的自動(dòng)駕駛和導(dǎo)彈的制導(dǎo)。汽車工業(yè)的迅速發(fā)展又給加速度計(jì)找到了新的應(yīng)用領(lǐng)域，汽車的防撞氣囊（Air Bag）就是利用加速度計(jì)來控制的。作為最成熟的慣性傳感器應(yīng)用，現(xiàn)在的MEMS加速度計(jì)有非常高的集成度，即傳感系統(tǒng)與接口線路集成在一個(gè)芯片上。本文將就微加速度計(jì)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行理論分析。 二 MEMS加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)模型及其工作原理2.1 MEMS微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)模型為了提高加速度計(jì)的工作靈敏度，通常采用電容式結(jié)構(gòu)。我們這里所研究的加速度計(jì)屬于電容式結(jié)構(gòu)

5、的一種；采用質(zhì)量塊-彈簧-阻尼器系統(tǒng)來感應(yīng)加速度，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中只畫出了一個(gè)基本單元。它是利用比較成熟的硅加工工藝在硅片內(nèi)形成的立體結(jié)構(gòu)（圖1只給出其剖面示意圖）。圖中的質(zhì)量塊是微加速度計(jì)的執(zhí)行器，與質(zhì)量塊相連的是可動(dòng)臂；與可動(dòng)臂相對(duì)的是固定臂?？蓜?dòng)臂和固定臂形成了電容結(jié)構(gòu)，作為微加速度計(jì)的感應(yīng)器。其中的彈簧并非真正的彈簧，而是由硅材料經(jīng)過立體加工形成的一種力學(xué)結(jié)構(gòu)，它在加速度計(jì)中的作用相當(dāng)于彈簧。圖1 微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。2.2 MEMS微加速度計(jì)的工作原理加速度計(jì)的工作原理可概述如下：當(dāng)加速度計(jì)連同外界物體（該物體的加速度就是待測(cè)的加速度）一起加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊就受到慣性力的作

6、用向相反的方向運(yùn)動(dòng)。質(zhì)量塊發(fā)生的位移受到彈簧和阻尼器的限制。顯然該位移與外界加速度具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系：外界加速度固定時(shí)，質(zhì)量塊具有確定的位移；外界加速度變化時(shí)（只要變化不是很快），質(zhì)量塊的位移也發(fā)生相應(yīng)的變化。另一方面，當(dāng)質(zhì)量塊的發(fā)生位移時(shí)，可動(dòng)臂和固定臂（即感應(yīng)器）之間的電容就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化；如果測(cè)得感應(yīng)器輸出電壓的變化，就等同于測(cè)得了執(zhí)行器（質(zhì)量塊）的位移。既然執(zhí)行器的位移與待測(cè)加速度具有確定的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，那么輸出電壓與外界加速度也就有了確定的關(guān)系，即通過輸出電壓就能測(cè)得外界加速度。具體地說，以Vm表示輸入電壓信號(hào)，Vs表示輸出電壓，Cs1與Cs2分別表示固定臂與可動(dòng)臂之間的兩個(gè)電容（

7、見圖2），則輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間的關(guān)系可表示為：（1）其中電容與位移之間的關(guān)系由電容的定義給出：（2）其中x是可動(dòng)臂（執(zhí)行器）的位移，d是沒有加速度時(shí)固定臂與懸臂之間的距離。由（2）式和（1）式可得（3）根據(jù)力學(xué)原理，穩(wěn)定情況下質(zhì)量塊的力學(xué)方程為：（4）k為彈簧的勁度系數(shù)，m為質(zhì)量塊的質(zhì)量。因此，外界加速度與輸出電壓的關(guān)系為：（5）可見，在加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)和輸入電壓確定的情況下，輸出電壓與加速度呈正比關(guān)系。圖2 （a）執(zhí)行器的力學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖，（b）感應(yīng)器的電學(xué)原理圖。三 MEMS微加速度計(jì)的制造工藝以往的加速度計(jì)都是利用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法制造的，但是這種加速度計(jì)的體積大、分量重，應(yīng)用場(chǎng)合受到很

8、大限制，MEMS技術(shù)制造的微加速度計(jì)克服了這些缺點(diǎn)。這里以COMSMEMS加工技術(shù)為例,其加工流程大體如下：如圖3所示，經(jīng)過CMOS澆鑄工藝之后就得到如圖3(a)的效果，再用CHF3/O2進(jìn)行各向異性的反應(yīng)離子刻蝕（reactive ion etch，即RIE）腐蝕掉外層氧化物，得到如圖3(b)所示的效果，接下來用SF6/O2來腐蝕體硅，便從襯底上得到微結(jié)構(gòu)，即如圖3(c)所示的效果。圖3 CMOS-MEMS加工工藝流程圖：（a）經(jīng)過MOS工藝加工后；（b）經(jīng)過介質(zhì)腐蝕工藝后；（c）經(jīng)過體硅腐蝕工藝后。圖4是微加速度計(jì)工藝完成以后芯片的掃描電子顯微鏡（SEM）照片。圖4 微加速度計(jì)芯片的掃描電鏡（SEM）照片（a）及其局部放大圖（b）。四 MEMS微加速度計(jì)主要性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)和控制 在加速度變化的動(dòng)態(tài)過程中，質(zhì)量塊的位移是時(shí)間的函數(shù)。根據(jù)牛頓第二定律，質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)由下列二次常微分方來描述（6）其中，k為彈簧的勁度系數(shù)，b為阻尼部件的阻尼因子，aext 是外部加速度。可見，彈簧部件的設(shè)計(jì)和阻尼部件的設(shè)計(jì)對(duì)