MEMS加速度传感器的原理与构造介绍

随着硅微机械加工技术(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。其中加速度传感器就是广泛应用的例子之一。加速度传感器的原理随其应用而不同，有压阻式，电容式，压电式，谐振式等。

本文通过不同加速度传感器的原理、制作工艺及应用展开，能够使之更加全面了解加速度传感器。

压阻式加速度传感器

MEMS压阻式加速度传感器的敏感元件由弹性梁、质量块、固定框组成。压阻式加速度传感器实质上是一个力传感器，他是利用用测量固定质量块在受到加速度作用时产生的力F来测得加速度a的。在目前研究尺度内，可以认为其基本原理仍遵从牛顿第二定律。也就是说当有加速度a作用于传感器时，传感器的惯性质量块便会产生一个惯性力:F=ma,此惯性力F作用于传感器的弹性梁上，便会产生一个正比于F的应变。，此时弹性梁上的压敏电阻也会随之产生一个变化量△R，由压敏电阻组成的惠斯通电桥输出一个与△R成正比的电压信号V。

压阻式加速度传感器的原理

本系统的信号检测电路采用压阻全桥来作为信号检测电路。

电桥采用恒压源供电，桥压为。设、为正应变电阻，、为负应变电阻，则电桥的输出表达式为:

我们在电阻布局设计、制造工艺都保证压敏电阻的一致性，因此可以认为有的压敏电阻和压敏电阻的变化量都是相等的，即:

则电桥输出的表达式变为:

敏感原理

采用的是压阻式信号检测原理，其核心是半导体材料的压阻效应。压阻效应是指当材料受到外加机械应力时，材料的体电阻率发生变化的材料性能。晶体结构的形变破坏了能带结构，从而改变了电子迁移率和载流子密度，使材料的电阻率或电导发生变化。一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：

式中，电阻丝的电阻率;电阻丝的长度;电阻丝的截面积。

当电阻丝受到拉力作用时，将伸长 ，横截面积相应减少,电阻率则因晶格发生变形等因素的影响而改变，故引起电阻值变化。对全微分，并用相对变化量来表示，则有

压阻系数

最常用的半导体电阻材料有硅和锗，掺入杂质可形成P型或N型半导体。其压阻效应是因在外力作用下，原子点阵排列发生变化，导致载流子迁移率及浓度发生变化而形成的。由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关。

压阻效应的强弱可以用压阻系数来表征。压阻系数π被定义为单位应力作用下电阻率的相对变化。压阻效应有各向异性特征，沿不同的方向施加应力和沿不同方向通过电流，其电阻率变化会不相同。晶轴坐标系压阻系数的矩阵可写成

MEMS压阻式加速度传感器制造工艺

为加工出图示的加速度传感器,主要采用下列加工手段来实现。采用注入、推进、氧化的创新工艺来制作压敏电阻；采用KHO各向异性深腐蚀来形成质量块；并使用AES来释放梁和质量块；最后利用键合工艺来得到所需的“三明治”结构。

（使用的是400μm厚、N型(100)晶向、电阻率p=2-4Ω的双面抛光硅片。）

结构部分工艺步骤：

硅帽部分工艺步骤：

键合、划片工艺步骤

电容式加速度传感器

电容式加速度传感器，在工业领域有着广泛的应用，例如发动机，数控车床等等。它具有电路结构简单，频率范围宽约为0～450Hz，线性度小于1%，灵敏度高，输出稳定，温度漂移小，测量误差小，稳态响应，输出阻抗低，输出电量与振动加速度的关系式简单方便易于计算等优点，具有较高的实际应用价值。

电容式加速度传感器原理

电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器，其中一个电极是固定的，另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力(气压、液压等)作用下发生位移，使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流(或液流)的振动速度(或加速度)，还可以进一步测出压力。

电容器加速度传感器力学模型

电容式加速度传感器从力学角度可以看成是一个质量—弹簧—阻尼系统，加速度通过质量块形成惯性力作用于系统，如图一所示。

电容式加速度传感器数学模型

电容式加速度传感器的构造

当前大多数的电容式加速度传感器都是由三部分硅晶体圆片构成的，中层是由双层的SOI硅片制成的活动电容极板。如图所示， 中间的活动电容极板是由八个弯曲弹性连接梁所支撑，夹在上下层两块固定的电容极板之间。提高精度很重要的一项措施就是采用差动测量方式，极大地提高了信噪比。因此，电容式MEMS加速度传感器几乎全部采用差动结构。

材料的选择

MEMS加速度计用到的材料比较多，不同的部分很有可能采用不同的材料。例如用于做衬底的衬底材料，用于做掩膜的掩膜材料，用于表面微加工的牺牲层材料等等。微加速度计常用的材料有单晶硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、多晶硅等等，具体哪种材料用于哪一部分不是固定的，需要在设计过程中根据其物理化学性质以及在加速度计中的作用加以综合考虑。因为该传感器动态要求比较高 ，因此在进行完结构设计，得到结构的尺 寸以后，进行有限元分析是必不可少的。

运用有限元分析软件ANSYS对加速度计模型进行分析，可以得到下面的结果 ：

(1)进行静力分析，可以发现承受应力最大的部位。

(2)进行模态分析，可以得到结构的固有频率和各固有频率下的振型。

(3)进行瞬态动力学分析，可以得到结构对外界激励的响应。

通过以上有限元分析的结果，可以进一步改进设计，使所设计的加速度计具有更好的性能 。

工艺的选择

电容式MEMS加速度计的工艺一般采用的有：表面工艺、体硅工艺、LIGA工艺及 SOI+DRIE工艺等。如表 3对这几种工艺进行了对比。

表面工艺是在集成电路平面工艺基础上发展起来的一种微工艺，只进行单面光刻。它利用硅平面上不同材料的顺序淀积和选择腐蚀来形成各种微结构。主要包括牺牲层淀积、牺牲层刻蚀、结构层淀积、结构层刻蚀、牺牲层去除(释放结构)等。最后使结构材料悬空于基片之上，形成各种形状的二维或三维结构。

体硅工艺是指沿着硅衬底的厚度方向对硅衬底进行刻蚀的工艺，包括湿法刻蚀和干法刻蚀，是实现三维结构的重要方法。为了形成完整的微结构，往往在加工的基础上用到键合或粘接技术，将硅的键合技术和体硅加工方法结合起来。硅的微结构经过多次掩膜、单面或双面光刻以及各向异性刻蚀等工艺而成，然后将有关部分精密对准键合成一整体。体硅加工工艺过程比硅表面加工复杂，体积大，成本高。

SO1+DRIE工艺是体硅工艺的一种延伸与发展。利用绝缘体上硅(SOI)制造单晶硅三维微 结构是最近几年发展异常迅速的方法。利用SOI制造微结构的方法几乎都是利用DINE(深反应离子刻蚀)对单晶硅进行深刻蚀。根据结构的不同、性能要求等可采用正面结构释放和背面结构释放。

光波导加速度计

光波导加速度计的原理如下图所示：光源从波导1进入，经过分束部分后分成两部分分别通入波导4和波导2，进入波导4的一束直接被探测器2探测，而进入波导2的一束会经过一段微小的间隙后进入波导3，最终被探测器1探测到。有加速度时，质量块会使得波导2弯曲，进而导至其与波导3的正对面积减小，使探测器1探测到的光减弱。通过比较两个探测器检测到的信号即可求得加速度。

微谐振式加速度计

谐振式加速度计，Silicon Oscillating Accelerometer，简称SOA。

一根琴弦绷紧程度不同时弹奏出的声音频率也不同，谐振式加速度计的原理与此相同。振梁一端固定，另一端链接一质量块，当振梁轴线方向有加速度时梁会受到轴线方向的力，梁中张力变化，其固有频率也相应发生变化。若对梁施加一确定的激振，检测其响应就可测出其固有频率，进而测出加速度。激振的施加和响应的检测通常都是通过梳齿机构实现的。

SOA的特点在于，它是通过改变二阶系统本身的特性来反映加速度的变化的，这区别与电容式、压电式和光波导式的加速度计。

SOA常见的结构有S结构和双端固定音叉（Double-ended Tuning Fork，DETF）两种。S结构原理图如下图所示，DEFT式就是在质量块的另一半加上和左边对称的一套机构。DEFT是目前SOA的主流结构。

热对流加速度计

热对流加速度的原理与其他加速度计有根本上的区别，其他加速度计的原理都是建立在一个二阶系统的基础之上，而热对流加速度计采用的是完全不同的原理。

一个被放置在芯片中央的热源在一个空腔中产生一个悬浮的热气团，同时由铝和多晶硅组成的热电偶组被等距离对称地放置在热源的四个方向。在未受到加速度或水平放置时，温度的下降陡度是以热源为中心完全对称的。此时所有四个热电偶组因感应温度而产生的电压是相同的（见下图）。由于自由对流热场的传递性，任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓，从而导致其不对称。此时四个热电偶组的输出电压会出现差异，而热电偶组输出电压的差异是直接与所感应的加速度成比例的。在加速度传感器内部有两条完全相同的加速度信号传输路径：一条是用于测量X轴上所感应的加速度，另一条则用于测量Y轴上所感应的加速度。

由于热对流加速度计中没有可运动的质量块，所以其制造工艺相对简单，也比较容易加工，而且其抗冲击性能非常好，可抗五万倍重力加速度的加速度。但环境温度对热对流加速度计的影响较大，而温度变化会导致零点漂移；同时热对流加速度计的频响范围低，通常是小于35Hz。

压电式加速度计

压电式加速度计的数学和物理模型与压阻式和电容式的加速度计类似，都是通过测量二阶系统中质量块的位移来间接测量加速度，三者的差别就是在于测量这个质量块位移的方法。

压电式加速度计利用了压电效应，或者更确切地说，是利用了正压电效应，即某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时其内部产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。通过测量压电材料两级的电势差即可求得其形变压电原理在宏观尺度的加速度计中应用颇为广泛，这类加速度计的构造多为基座和质量块之间夹一压阻材料（如下图）。

而MEMS压电式加速度计采用的结构与压阻式微加速度计类似（如下图），都是悬臂梁末端加质量块的震动系统，二者差别在于镀在梁上的材料不同，压电式加速度计自然只要镀上压电材料，而非压阻材料。