基于MEMMS电容式加速度传感器的设计.doc

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目录

中文摘要 1

英文摘要. 2

1引言 3

2电容式加速度传感器 6

2.1各式加速度传感器的比较 6

2.2电容式加速度传感器的分类 10

2.3电容式加速度传感器设计方法选择与优化 12

2.4电容加速度传感器结构梁的设计 15

3加速度计主要失效模式和失效机理 20

3.1表面粘附 20

3.2结构断裂 21

3.3分层失效 21

3.4辐射失效 22

4硅-玻璃键合加速度传感器的工艺过程 23

4.1工艺相关 23

4.2工艺过程 24

5计算机设计与仿真 28

5.1MEMES-PRO软件环境 28

5.2加速度传感器相关部件、电路及波形 28

结论 31

谢辞 32

参考文献 33

基于MEMMS电容式加速度传感器的设计

摘要：

加速度传感器的设计与研究在国内外已经持续了很多年。

在这段研究中，各式各样的加速度计在不断出现。

本文从MEMS的发展入笔，罗列传感器重要特性，比较硅微电容式加速度传感器、硅微压阻式加速度传感器、硅微热电偶式等各种传感器，介绍相关原理和一些用途。

选取电容式加速度传感器作为方向，阐述相关设计原则和注意事项。

针对微机械电容式加速度计主要有三种结构，即三明治摆式加速度计结构、跷跷板摆式加速度计和梳齿式微加速度计结构，对其原理作比较详尽的介绍，对工艺实现难易作出比较。

论述加速度传感器的相关优化方案的选取，粱结构的优化选择和体硅加工等系列方案选取。

进而说明加速度计的主要失效模式和实效机理。

最后选取一种加速度计，介绍其涉及到的MEMS工艺和工艺步骤。

介绍MEMS软件的相关应用。

关键词：

MEMS，加速度传感器，电容式

Abstract:

AccelerometerDesignandResearchhasbeengoingonathomeandabroadformanyyears.Duringthisstudy,awiderangeofemergingintheaccelerometer.Inthispaper,thedevelopmentofMEMSasastartingpoint,listtheimportantcharacteristicsofthesensor,compareamongmicro-siliconcapacitiveaccelerometer,micro-siliconpiezoresistiveaccelerometer,micro-siliconthermocoupleaccelerometerandothertypes,introducetherelevantprinciplesandsomeuses.Selectcapacitiveaccelerometerasthemainpoint,expoundtherelateddesignprinciplesandattention.cantileverbeammicromachinedsiliconaccelerometer,pendulousmicromachinedsiliconaccelerometerandfinger-shapedmicromachinedsiliconaccelerometer,asthemainstructuresinmicro-siliconcapacitiveaccelerometers,wehaveadetailedintroductionabouttheprincipleandcomparisonabouttheprocesses.Expoundtheoptimizationofsensor,beamstructure,bulkprocessingandotherrelatedrespects.Thenexplainthemainfailuremodeandeffectivenessofthemechanismoftheacceleration.Finally,selectanaccelerometertointroduceMEMStechnologyinvolvedandtheprocesssteps.IntroducetheapplicationsofMEMSsoftware.

Keywords:

MEMS,accelerationsensor,capacitive

1引言

MEMS技术发展的始点是集成电路（IC）技术。

Intel公司1971年推出的Intel4004处理器芯片只集成了2250个晶体管，1982年问世的Intel286集成了120000个晶体管，而1999年推出的PentiumⅢ处理器集成的晶体管数目则达到了24000000。

集成电路技术惊人的发展速度，是其它领域不能匹敌的。

每隔12到18个月，芯片上晶体管的集成密度就会翻倍，这个增长规律被称为摩尔定律（MooreLaw）。

这么多年以来，集成电路产业按照摩尔定律一直发展到今天，推动着信息社会的迅速发展。

电子器件小型化和多功能集成是微加工技术的推动力。

如果没有微加工和小型化技术的迅猛发展，许多今天看来理所当然的科学和工程成就就都不能实现。

这些应用包括成指数级增长的计算机和互联网的应用、蜂窝电话、数码照相（摄像、存储、传输和显示）、平板显示、等离子电视、节能汽车、人类基因组测序（大约包括有30亿个碱基对）、快速的DNA序列识别、新材料和药物的发现以及电子战等。

MEMS是由集成电路技术发展而来，经过大约20年的萌芽阶段，开展了一些有关MEMS的零散研究，使得体硅加工技术和表面加工技术迅速成熟起来。

到了20世纪90年代，全世界的MEMS研究进入了一个突飞猛进、日新月异的发展阶段。

一批研究成果有了实际应用。

其中最典型的是美国AnalogDevices（模拟器件）公司生产的用于汽车安全气囊系统的集成惯性传感器和美国TexasInstruments（德州仪器）公司生产的用于投影显示的数字光处理芯片。

与传统宏观的机电系统相比，MEMS技术有与其区别的自身本质特征：

（1）小型化。

典型的MEMS器件的长度尺寸大约在1~1之间，当然，MEMS器件阵列或整个MEMS系统的尺寸会更大些。

小尺寸能够实现柔性支撑、带来高谐振频率、低热惯性等很多优点。

小型化可能带来一些问题，比如有些在宏观尺度下非常显著的物理效应，当器件尺寸变小以后，性能可能变得很差。

还有就是，有些对于宏观器件可忽略的物理效应，在微观尺度范围内会突然变得突出，即比例尺度定律。

（2）微电子集成。

MEMS最独特的特点之一就是可以将机械传感器和执行器与处理电路和控制电路同时集成在同一块芯片上。

这种单片集成技术应用整片衬底的加工流程，将不同部件集成在单片衬底上，不包含机械拾取或人工装配等混合组装方法。

光刻技术可以确保器件尺寸和元件位置的精确性。

（3）高精度的批量制造。

MEMS加工技术可以高精度地加工二维、三维结构，而采用传统的机械加工技术不能重复地、高效地、或者低成本地加工这些微结构。

结合光刻技术，MEMS技术可以加工独特的三维结构，传统的机械加工和制造技术制备这些结构难度大、效率低。

现代光刻系统和光刻技术可以很好地定义结构、整片工艺的一致性好、批量制造的重复性也非常好。

MEMS技术带来了传感器和执行器的革命性变化。

一般来说，传感器是用来探测和监测物理化学现象的器件，而执行器是用来产生机械运动、力和扭矩的器件。

传感器和执行器可以统称为换能器，换能器可以实现信号和能量由一种能量转换为另一种能量。

比较受关注的能域主要有六个，分别是电能、机械能、化学能、辐射能、磁能和热能。

本论文将要论述到的是加速度传感器，它是将运动物体的机械能转化为相应电容的变化，再通过接口电路分析相应加速度。

传感器可分为两类：

物理传感器和生化传感器。

物理传感器测量力、加速度、压力、温度、流速、声波振动和磁场强度等物理量。

加速度传感器就是一种典型的物理传感器。

有很多传感原理都可以实现某种信号的敏感。

一般来说，传感器研发者必须根据很多性能要求评价不同的能量转换途径和设计。

下面罗列传感器的最重要的一些特性：

（1）灵敏度。

灵敏度定义为输出信号与输入激励之间的比值。

必须注意，灵敏度可能是输入激励幅值和频率、温度、偏置以及其它变量的函数。

（2）线性度。

如果输出信号随着输入信号的变化成比例地变化，那么就说响应时线性的。

线性的响应可以降低信号处理电路的复杂度。

（3）响应特性。

响应特性包括精度、分辨率或测量极限。

它表明了传感器能够有效测量出来的最小输入信号的大小，它通常受传感元件和电路的噪声限制。

任何干扰目标信号识别的信号都可以视为噪声，噪声本来也可以是另一个信号（干扰）。

我们通常所指的噪声是用来描述物理随即噪声，如热噪声。

干涉噪声可以采用电子屏蔽等方法校正或消除，但随即噪声确实普遍存在的，它有着众多的基本来源。

对于MEMS传感器，噪声主要源于以下几个方面：

a．Johnson噪声是白噪声，它表现为由于内部电子或粒子随机性热涨落所产生的电阻开路电压。

Johnson噪声的RMS值定义为：

（1-1）

式中，为玻耳兹曼常数；为绝对温度；为电阻值；为单位为Hz的带宽。

Johnson噪声的幅值分布服从高斯分布。

b．散粒噪声，是另一种高斯分布的白噪声。

它来源于电荷的不连续传输导致的电流量子随机涨落。

散粒噪声可以表示为，式中、和分别是电荷、直流电流和单位为Hz的测量带宽。

c．1/f噪声，也称为闪烁噪声。

它是由于电流流过电阻时的电导率随机涨落产生的。

顾名思义，1/f噪声与频率有关。

优化传感器设计可以减小1/f噪声。

d．对于很多可动的MEMS传感器来说，如加速度传感器，热-机械本底噪声是另一个重要的噪声源。

热-机械噪声是因为微结构周围的气体分子由于布朗运动与微结构产生机械碰撞，导致微结构振动而产生的。

热-机械本底噪声与玻耳兹曼常数、温度、品质因子和弹性常数、谐振频率和测量带宽的平方根成正比。

通过对时间或对许多器件进行整体平均可以降低热-机械本底噪声。

（4）信噪比（SNR）。

SNR表示信号幅值与噪声幅值之间的比值。

（5）动态范围。

动态范围是指可测得的最高信号水平和最低信号水平之间的比值。

在很多应用中都要求有较大的动态范围。

（6）带宽。

对于常量和时变信号，传感器会有不同的响应。

通常，传感器很难响应频率非常高的信号。

有效响应的范围称为带宽。

（7）漂移。

由于材料的机械和电学性质会随时发生变化，故传感器的相应特性就会发生漂移。

漂移较大的传感器不能有效地测量缓慢变化的信号，如检测结构的应力随时间的变化。

（8）传感器的可靠性。

传感器的性能会随时间发生改变，特别是在恶劣的环境条件下。

军用传感器必须满足军用标准。

这类用途的传感器要求在比较大的温度范围内（-55到105℃）达到规定的可靠性和可信度。

目前很多工业界已经建立了很多传感器使用指南和标准。

（9）串扰和干扰。

用来测量某一变量的传感器可能对另一变量也敏感。

于加速度传感器来讲，用于测量某一特定方向加速度的加速度传感器，可能会对垂直方向的加速度产生一定的响应。

在实际应用中，需要将传感器的交叉敏感降低到最小。

（10）开发成本和时间。

研究者都希望降低传感器成本、缩短开发时间。

快速的市场化时间，对那些针对某种特殊需求开发的商业化传感器很重要。

许多取得商业化成功的传感器都经过了很长的开发时间，耗费了巨大的成本。

将MEMS传感器的开发成本和时间减少到目前专用集成电路（ASIC）的水平是很有吸引力的。

2电容式加速度传感器

随着硅微加工的迅速发展，各种器件开始出现，加速度传感器就是其中一种运用比较成功、范围较广的器件。

它和其它种种MEMS器件一样，具有体积小、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广泛关注，并且在汽车安全气囊、心脏起搏器、地震检测等方面得到了广泛应用。

2.1各式加速度传感器的比较

对于目前五种常见的基于MEMS技术的加速度传感器，本文将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，着重介绍已经较为成熟且形成产业化的硅微电容式、压阻式、热电偶式加速度传感器，简要分析和介绍目前较为前沿的光波导式加速度传感器。

2.1.1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件通常为梳齿状结构，如图2.1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与上半部分活动电极组成电容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引线分开，试验时，可根据需要将其短接或者分开接。

当有加速度输入时，惯性力使活动极板产生一个偏角，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C1、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容静电力矩器，电容力矩器产生的静电力矩与惯性力矩平衡，使活动质量块保持早原有的平衡位置，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。

假设在受到加速度作用时，在惯性力-ma作用下，检测质量块在一特定方向（敏感方向）运动，使得动极板两侧电容Ca、Cb发生了变化。

两侧电容的差值（2倍于单侧电容变化量）经过激励正弦波信号调制，由电容检测器检出。

该信号经交流放大器放大、检波和适当的校补，反馈到中间极板，由其在电容器极板间产生静电力，此静电力的力矩使检测质量块保持在零位。

它与加速度作用所引入的力矩大小相等，方向相反。

当系统处于平衡时，惯性力与反馈力平衡，就其他笑来说，ma=。

若视电容为理想平板电容（关于边缘效应等电容误差会在后面关于误差分析的地方阐明），上下电容间隙相等，则静电反馈力为：

（2-1）

令：

则：

式中：

—惯性加速度；

—质量块质量；

—上、下电容间隙；

—电容极板总面积

—介电常数；

—直流偏压。

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。

采用MEMS有关工艺制成的微加速度计，其敏感芯片的体积仅为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，试验测的这种原理的微加速度计在不加点状态下三个方向至少可以承受数百乃至数千以上的冲击。

图2.1电容式传感器结构原理图

2.1.2硅微压阻式加速度传感器

半导体单晶硅材料在受到外力作用，会产生肉眼察觉不到的极微小应变，其原子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电阻率剧烈的变化，由其材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应叫做压阻效应。

它较之传统的膜合电位计式、力平衡式、变电感式、变电容式、金属应变片式及半导体应变片式传感器技术上先进的多。

从20世纪80年代中期以后，在美、日、欧传感器市场上，它已是压力传感器中占据主流的品种，并与压电式几乎平分了加速度传感器的国际市场。

目前，在以大规模集成电路技术和计算机软件技术介入为特色的智能传感器技术中，由于它能做成单片式多功能复合敏感元件来构成智能传感器的基础，因而备受瞩目。

压阻式传感器由一个振动片和4个用微机械技术处理形成的褶曲部分组成，4个支架中的每一个都含有2个移植的电阻，它们互相连接形成一个惠斯登电桥，当它承受一个加速度时，这个片将上下移动，导致4个电阻值增加，其它4个减少，这样就形成了一个与电源电压成比例地电压变化。

这8个电阻如果互相联接，将会使任何偏离轴线的加速度的影响无效。

硅的顶部和底部的帽与容纳振动片和支架的部分相连，硅帽有几个用途，精密的缺口蚀刻在帽上提供了空气缓冲，到几kHz的频率响应是呈水平趋势，受温度影响较小。

结构中的顶帽用来在没有加速度时检测加速度计，实现自检功能。

当提供给硅顶帽金属极一个电压时，静电力驱使振动片朝顶帽移动。

这导致了一个与灵敏度和应用电压的平方成比例地输出电压变化，这样为应用一个电压产生一个加速度和检测机械和电子结构的性能提供了可能。

2.1.3硅微热电偶式加速度传感器

硅微热电偶式的加速度传感器目前多应用于低成本的传感器领域，此类加速度传感器既可以测量动态加速度，也可以测量静态加速度。

基于热交换原理，介质是气体。

如图2.2所示，热源的四周均匀分布有热电偶堆（铝/多晶硅）。

图中的加速度传感器上有两路信号，一路是测量轴加速度的，另一路是测量轴加速度的。

在没有加速度的情况下，热源的温度梯度均匀分布，对四周的热电偶而言，温度是一样的，输出的电压也是一样的。

热自由交换，任何方向的加速度将打破温度分布平衡，使之分布不平衡。

输出的电压也将随之改变。

热电偶输出的电压差和加速度成正比例。

图2.2热电偶传感器示意图

2.1.4硅微谐振式加速度传感器

谐振式传感器的独特优点在于，它的准数字量输出可直接用于复杂的数字电路而免去了其它类型传感器在信号传递方面的诸多不便。

谐振式传感器的敏感元件是谐振子，其固有谐振特性决定了该类型传感器具有很高的灵敏度和分辨率，但问题也由此而来。

（1）硅谐振子的材料质量和制作质量一定要得到保证。

（2）要有足够高精度的数字信号处理电路来监测输出频率信号的微弱变化。

随着硅材料工艺、微机械加工工艺和集成电路的飞速发展，这些问题变得容易解决，这也使得谐振式传感器成为低成本、高性能传感器的突出代表。

出于对灵敏度的考虑，体硅加工的传感器结构往往设计为单边支撑的悬臂梁结构。

但这种结构的缺点很明显。

它有着很大的横向灵敏度，所以在方向性要求较高的情况下，需要选择对称的梁块结构。

基于已有的压阻式体硅微加速度传感器的研制，在支撑框架与质量块之间同时制作支撑梁和谐振梁，这样的设计既可以借用已有的成熟工艺，又为进一步的传感器-检测电路系统集成提供了工艺兼容的便利条件。

利用同样的思想就可以在其它的梁块结构的合适位置上制作出谐振梁。

例如，在4角固支结构的4边同时制作了4条谐振梁。

而且，这4条谐振梁也可以同时用作支撑作用而省去原来的支撑梁，从而增加了检测的灵敏度。

图2.3示意了谐振梁的制作位置及尺寸。

图2.3谐振式传感器结构示意图

2.1.5硅微光波导加速度传感器

硅微光波导加速度传感器是一种较为新型的加速度传感器，其原理结构如图2.4所示。

射入波导1的一束光，到达分束器BS时，分为透射和反射两个部分，其中反射部分进入波导4，并到达光探测器2。

透射部分进入波导2，波导2穿过悬臂梁的顶部，然后经过一个微小的空气间隙耦合到波导3，当探测器1的作用时探测进入波导3的光强。

加速度为0时，波导2和波导3端面正对，此时经空气间隙耦合进入波导3的光最强。

因为空气间隙距离仅有几微米，可以认为从波导2出射的光完全照射在波导3的端面上，进入波导3的光强度仅同波导3界面的反射率有关。

当加速度不为0，在质量块惯性力作用下，悬臂梁将发生弯曲，此时波导2和波导3相对截面间将发生一个微小位移，位移量的大小是加速度的函数。

可近似认为波导3截面上的光入射角不随加速度的大小变化，耦合到波导3的光强仅同二者正对截面大小有关，通过测量波导3光强的变化，可以得到相应的加速度值。

图2.4集成光强调制型光波导加速度传感器

2.2电容式加速度传感器的分类

基于电容变化的原理来对加速度进行检测的微机械电容式加速度计具有制作工艺简单、温度系数小、稳定性好、阻尼系数容易控制等优点，因而得到了广泛的应用。

电容式加速度传感器的基本参数如固有频率，非线性度，分辨率、量程、稳定性等首先取决于其本身结构。

因此，对其进行结构设计研究具有重要的理论意义及应用价值。

2.2.1微机械电容式加速度计的结构设计原则

微机械电容式加速度计结构的设计要综合考虑各项性能以达到最佳的整体性能。

考虑硅材料的固有材料特性和微加速度计的实际功能，在硅微结构的设计过程中，除了应满足具有较好的强度、易于加工和线性原则外，还应考虑一下一些原则：

（1）同向性原则：

当硅微结构受到各方向冲击作用时，只有某一个或某几个方向最为敏感，其余方向则是迟钝的。

同向性原则可以保证被传感信息的有效性和无干扰性。

（2）灵敏性设计原则：

灵敏性设计是指在硅微结构空间中，微纳米量级的位移能反映加速度的变化。

并能有效地用相关的电物理量（如电容量）测定出来。

即有着较好的灵敏度。

2.2.2微机械电容式加速度计的三种常见结构

微机械电容式加速度计主要有三种结构，即三明治摆式加速度计结构、跷跷板摆式加速度计和梳齿式微加速度计。

（1）三明治摆式电容加速度计

三明治摆式电容加速度计又称为悬臂梁式硅微机械加速度计（CantileverBeamMicromachinedSiliconAccelerometer，CMSA），是一种夹层结构的微机械加速度计，因动极板被夹在固定极板中间形似三明治（Sandwich）而得名。

该结构相对比较简单，电容可动极板由中间的敏感质量硅摆片的上下两面用电镀的方法制成，与相对应的固定极板组成一组差动电容来敏感输入加速度的大小。

当质量块受到加速度激励上下运动时，电容极板间距随之变化，差动电容大小发生改变，理论推导可知差动电容的大小和加速度在质量块位移较小的情况下成近似线性比例关系。

但是该结构需要在敏感质量块上进行双面光刻，要求工艺设备较多，工艺难度较大。

如果排除加工难度的因素，这种结构式较理想的，可作出精度较高、封闭性较好的加速度计。

在这方面的研究上，美国Litton公司、德国Litef公司、瑞士Neuchatel大学以及日本日立公司和东北大学均采用体加工法，分别研制成功该结构级的高精度微机械加速度计，表头为玻璃—硅—玻璃或硅—硅—硅三明治结构。

（2）跷跷板摆式电容加速度计

跷跷板摆式电容加速度计又称扭摆式硅微加速度计（PendulousMicromachinedSiliconAccelerometer，PMSA），因敏感质量绕着弹性梁扭转形似跷跷板而得名。

其典型代表是美国Draper实验室于1990年研制的微机械加速度计，其敏感质量与下面的玻璃基片之间形成差动检测电容。

由于质量片分别位于承扭梁两边的质量和惯性矩不相等，所以当存在垂直于质量片的加速度输入时，质量片将绕着支撑梁旋转，从而使相应的一对差动电容一个增大一个减小，测量差动电容值既可得到沿敏感轴输入的加速度。

它的检测电路与ADXL50类似。

摆片与基片之间形成差动电容由100kHz载波信号激励，输出的电压经过放大和相敏解调后作为反馈信号加给力矩器电容极板，产生静电力，使得极板间的转角回到零位附近。

加在力矩器电容极板上的平衡电压和被测加速度成线性关系。

（3）梳齿式电容加速度计

梳齿式硅微机械加速度计（Finger-shapedMicromachinedSiliconAccelerometer，简写为F