MEMS加速度傳感器的地原理與構造

微系統(tǒng)設計與應用加速度傳感器的原理與構造班級：2012機自實驗班指導教師：xxx小組成員：xxxxx大學機械工程學院二OO五年十一月摘要隨著硅微機械加工技術(MEMS)的迅猛發(fā)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(tǒng)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(yī)藥、導航和控制、生化分析、工業(yè)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。本文著手于不同加速度傳感器的原理、制作工藝及應用展開，能夠使之更加全面了解加速度傳感器。關鍵詞：加速度傳感器，壓阻式，電容式，原理，構造目錄1壓阻式加速度傳感器 31.1壓阻式加速度傳感器的組成 31.2壓阻式加速度傳感器的原理 31.2.1敏感原理 41.2.2壓阻系數 51.2.3懸臂梁分析 61.3MEMS壓阻式加速度傳感器制造工藝 71.3.1結構部分 71.3.2 硅帽部分 91.3.3鍵合、劃片 102電容式加速度傳感器 102.1電容式加速度傳感器原理 102.1.1電容器加速度傳感器力學模型 102.1.2電容式加速度傳感器數學模型 122.2電容式加速度傳感器的構造 132.2.1機械結構布局的選擇與設計 132.3.2材料的選擇 152.3.3工藝的選擇 162.3.4具體構造及加工工藝 173其他加速度傳感器 183.1光波導加速度計 183.2微諧振式加速度計 183.3熱對流加速度計 193.4壓電式加速度計 204加速度傳感器的應用 204.1原理 204.2功能 21參考文獻 21壓阻式加速度傳感器壓阻式器件是最早微型化和商業(yè)化的一類加速度傳感器。這類加速度傳感器的懸臂梁上制作有壓敏電阻，當慣性質量塊發(fā)生位移時:會引起懸臂梁的伸長或壓縮，改變梁上的應力分布，進而影響壓敏電阻的阻值.壓阻電阻多位于應力變化最明顯的部位。這樣，通過兩個或四個壓敏電阻形成的電橋就可實現加速度的測量。其特點在于壓阻式加速度傳感器低頻信號好、可測量直流信號、輸入阻抗低、且工作溫度范圍寬，同時它的后處理電路簡單、體積小、質量輕，因此在汽車、測振、航天、航空、航船等領域有廣泛的應用。1.1壓阻式加速度傳感器的組成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。1.2壓阻式加速度傳感器的原理本系統(tǒng)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?yōu)?1.2.1敏感原理本論文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(fā)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(fā)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(fā)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，則有式中的為電阻絲的軸向應變.常用單位。若徑向應變?yōu)?，由材料力學可知，式中為電阻絲材料的泊松系數，又因為，代入式可得靈敏系數為對于半導體電阻材料，，即因機械變形引起的電阻變化可以忽略，電阻的變化率主要由引起，即可見，壓阻式傳感器就是基于半導體材料的壓阻效應而工作的。1.2.2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(fā)生變化，導致載流子遷移率及濃度發(fā)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由此矩陣可以看出，獨立的壓阻系數分量只有、、三個。稱為縱向壓阻系數;稱為橫向壓阻系數;稱為剪切壓阻系數.必須強調一下，、、是相對于晶軸坐標系三個晶軸方向的三個獨立分量。有了晶軸坐標系的壓阻系數之后，就可求出任意晶向的縱向壓阻系數及橫向壓阻系數。設某晶面的晶向的方向余弦為、、，其某一橫向的方向余弦為、、，則可求出:如果單晶體在此晶向上同時有縱向應力的作用，則在此晶向上(必須是電流流過方向)的電阻率相對變化，可按下式求得:此式說明，在同一晶體上由兩部分組成，一部分是由縱向壓阻效應引起的，一部分是由橫向壓阻效應引起的。下表給出了硅和鍺中的獨立壓阻系數分量的值。硅和鍺的獨立壓阻系數材料類型電阻率P-Si7.86.6-1.1138.1N-Si11.7-102.253.4-13.6P-Ge1.1-3.73.296.7N-Ge9.9-4.7-5-137.91.2.3懸臂梁分析懸臂梁根部的橫向受力：質量塊的質量；懸臂梁的寬度和厚度，；質量塊中心至懸臂梁根部的距離；加速度懸臂梁的電阻的相對變化率：1.3MEMS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(chuàng)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。）1.3.1結構部分工藝步驟工藝剖面圖初次清洗，熱氧化300?第一次光刻，反應離子刻蝕余厚400-800?硼離子注入去膠硼驅入，具體工藝包括清洗、驅硼、氧化等二次光刻，反應離子刻蝕去膠濃硼擴散，工藝內容包括清洗、擴散、低溫氧化、漂氧化硅、推進、熱氧化第三次光刻，反應離子刻蝕BHF漂正反面LPCVD3500?1200?第六次光刻，腐蝕Au/Cr，去膠第七次刻蝕，反應離子刻蝕刻蝕，ICP刻硅釋放結構去膠，去導熱硅脂硅帽部分1.3.3鍵合、劃片2電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器，在工業(yè)領域有著廣泛的應用，例如發(fā)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(wěn)定，溫度漂移小，測量誤差小，穩(wěn)態(tài)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(yōu)點，具有較高的實際應用價值。2.1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(fā)生位移，使電容量發(fā)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。2.1.1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(tǒng)，加速度通過質量塊形成慣性力作用于系統(tǒng)，如圖一所示。根據牛頓第二定律,對于該力學模型,可以列寫出下列二階微分方程：其中將上式進行零初始條件下的拉普拉斯變換,得由此可得以加速度作為輸入變量，質量塊相對殼體位移為輸出變量；傳遞函數為可見,如果將傳感器的殼體固定在載體上,只要能把質量塊在敏感軸方向相對殼體的位移測出來,便可以把它作為加速度的間接度量。由上式可見，傳感器無阻尼自振角頻率為傳感器阻尼比為從上式可以看出，當處于常加速度輸入下的穩(wěn)態(tài)時，其質量塊相對殼體位移趨于如下穩(wěn)態(tài)值：由上式可見，質量塊越大，彈性系數越小，即系統(tǒng)無阻尼自振角頻率越低，則電容式加速度傳感器靈敏度越高。穩(wěn)態(tài)靈敏度為：2.1.2電容式加速度傳感器數學模型當加速度時，質量塊位于平衡位置，兩差動電容相等，即當加速度a不為0時，質量塊受到加速度引起的慣性力產生位移x，兩差動電容間隙分別變?yōu)榭傻貌顒臃绞綍r總的電容變化量為質量塊由于加速度造成的微小位移可轉化為差動電容的變化，并且兩電容的差值與位移量成正比。可得輸入加速度a和差動電容變化的關系為由加速度變化到敏感電容變化的靈敏度為電容式加速度傳感器的分辨率受到電容檢測電路分辨率的限制，分辨率為2.2電容式加速度傳感器的構造2.2.1機械結構布局的選擇與設計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。如圖一所示，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。電容式Mems加速度傳感器的結構布局1．基本結構的選擇電容式MEMS加速度傳感器有許多種機械結構，。選擇好的機械結構，將有助于滿足和提高傳感器的性能，如固有頻率、量程、機械強度、對載荷的響應等等。另外，微加速度計的結構尺寸除了要滿足上述條件外，隨著尺寸的縮小，一些在運動中起主導作用的因素將發(fā)生變化。比如靜電力、分子之間的相互作用力、空氣產生的阻尼力等，這些在宏觀中被忽略掉的因素將是影響微結構性能的主要因素。因此在設計中也應該把這些因素考慮在內。在進行結構設計時，要考慮的主要約束條件有：a.量程 具有一定的量程是設計加速度傳感器的主要目的。通過結構設計、材料力學等來分析傳感器的最大測量范圍。b.剛性約束條件 要求加速度計在慣性力的作用下，懸臂梁或者撓性軸的最大撓度應小于材料所允許的最大相對撓度。c.彈性約束條件 要求懸臂梁或者撓性軸上的應力不超過材料本身的許用應力，以保證結構工作在彈性范圍內。d.諧振頻率約束 加速度計相當于一個低通濾波器，為了保證有足夠寬的工作頻率，希望加速度計的諧振頻率盡可能高些。但是，諧振頻率又不能太高，以保證有較高的靈敏度。因此，總是希望加速度計的諧振頻率在一定的范圍內。2.彈性梁的選擇彈性梁的設計在MEMS加速度計中是十分關鍵的一個部分，其結構直接影響到傳感器的量程、分辨率、橫向靈敏度、抗高過載能力等參數(梁的基本結構如表1所示)。合理選擇梁的結構類型，是設計中的關鍵。表2列出了不同彈性梁與質量塊組合時的性能特點。3.過載保護結構的設計硅微彈性梁作為MEMS器件的基本組成部分，它的幾何尺寸和材料屬性會直接影響微器件的工作性能、抗高過載能力，以及結構穩(wěn)定性。高過載條件下微結構的受力形式主要表現為慣性力，而慣性力作為外力作用在構件上時，產生構件內力，且內力會隨沖擊加速度的增加而增大，當沖擊加速度達到某一限度時，就會導致微結構破壞。若要保證MEMS加速度計在高過載條件下不失效，則組成的MEMS加速度計的微構件必須滿足：足夠的抵抗破壞能力、足夠的抵抗變形能力和保持原有平衡狀態(tài)的能力。而這些要求均與材料的力學性能有關。材料的力學性能指標主要包括：比例極限(彈性極限)σp、屈服極限σs、強度極限(抗拉強度)σb、彈性模量E、延伸率δ和斷面收縮率Ψ等。因此在結構設計中，常采用止擋塊結構來限制敏感質量塊運動的最大位移。2.3.2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(tài)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(fā)現承受應力最大的部位。(2)進行模態(tài)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(tài)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。2.3.3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(fā)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(fā)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(fā)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。2.3.4具體構造及加工工藝工藝過程中所選取的都是n-type（100）的，兩層鏡面的SOI硅晶層，處理層厚度800±25μm，設備層厚度為30μm，氧化層厚度為2μm，圖案化淹模要以<110>的晶向排列，前后面精度分別為1.5μm和3μm。濕法刻蝕的KOH濃度是40%，溫度保持在50度。具體步驟由圖二所示電容式加速度傳感器制造過程（a）確定上下極板間的電容間距（b）用KOH對兩面的SiO2進行濕法刻蝕（c）等SiO2層被去除，新的氧化層會在兩面重新生成，繼續(xù)用KOH進行濕法刻蝕直到SiO2層被完全去除（d）在兩面涂上光刻膠作為濕法刻蝕的梁結構（e）去除光刻膠以后兩面重新被氧化生成SiO2，隨后再EVG-100覆蓋（f）利用剩下的光刻膠進行刻蝕然后移除光刻膠（g）等刻蝕完成，對稱梁結構形成（h）利用對稱結構確認中間梁位置（i）上下兩層形成2μm的SiO2對稱氧化層來隔絕上中下三層（j）隨后通過梁結構中間層與上下層連接（K）控制480度的粘接溫度隨后在1100度下保存一小時。3其他加速度傳感器3.1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。3.2微諧振式加速度計諧振式加速度計，SiliconOscillatingAccelerometer，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(fā)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(tǒng)本身的特性來反映加速度的變化的，這區(qū)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-endedTuningFork，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。3.3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(qū)別，其他加速度計的原理都是建立在一個二階系統(tǒng)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(huán)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。3.4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(tǒng)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