傳感器技術加速度傳感器 MEMS 目錄 Group3 篇前語 MEMS是什么 加速度傳感器與MEMS什么關系 微機電系統(tǒng) MEMS Micro Electro MechanicalSystem 也叫做微電子機械系統(tǒng)微機電系統(tǒng)是集微傳感器 微執(zhí)行器 微機械結(jié)構(gòu) 微電源微能源 信號處理和控制電路 高性能電子集成器件 接口 通信等于一體的微型器件或系統(tǒng) Group3 概述 加速度傳感器 加速度傳感器中的分類 加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備 加速力就是當物體在加速過程中作用在物體上的力 就好比地球引力 也就是重力 加速力可以是個常量 比如g 也可以是變量 加速度計有兩種 一種是角加速度計 是由陀螺儀 角速度傳感器 的改進的 另一種就是線加速度計 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 伺服式等 Group3 壓阻式加速度傳感器 壓阻式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 基于世界領先的MEMS硅微加工技術 壓阻式加速度傳感器具有體積小 低功耗等特點 易于集成在各種模擬和數(shù)字電路中 廣泛應用于汽車碰撞實驗 測試儀器 設備振動監(jiān)測等領域 Group3 壓阻式加速度傳感器 作用機理 特點 壓阻式加速度傳感器的懸臂梁上制作有壓敏電阻 當慣性質(zhì)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(xiàn)加速度的測量 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(zhì)量輕 Group3 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(zhì)量塊 固定框組成 壓阻式加速度傳感器實質(zhì)上是一個力傳感器 他是利用用測量固定質(zhì)量塊在受到加速度作用時產(chǎn)生的力F來測得加速度a的 在目前研究尺度內(nèi) 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(zhì)量塊便會產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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 Group3 構(gòu)造原理 壓阻式加速度傳感器 懸臂梁根部的橫向受力 Group3 懸臂梁的電阻的相對變化率 質(zhì)量塊的質(zhì)量m 懸臂梁的寬度和厚度b h 質(zhì)量塊中心至懸臂梁根部的距離l 加速度a 懸臂梁分析 壓阻式加速度傳感器 Group3 信號檢測 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 則電橋輸出的表達式變?yōu)?壓阻式加速度傳感器 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(xiàn) 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(zhì)量塊 并使用AES來釋放梁和質(zhì)量塊 最后利用鍵合工藝來得到所需的 三明治 結(jié)構(gòu) Group3 工藝流程 壓阻式加速度傳感器 硅微機械加工技術是在傳統(tǒng)的集成電路平面工藝的基礎上發(fā)展起來的 是常規(guī)集成電路工藝和硅微機械加工的獨特技術的結(jié)合 這些獨特的加工技術與常規(guī)集成電路工藝相結(jié)合 才能制作出微電子機械系統(tǒng) 微機械加工技術一般分為體硅微機械加工技術 表面硅微機械加工技術和LIGA技術三類 Group3 工藝流程 壓阻式加速度傳感器 a 在硅片兩側(cè)積淀氮化硅 b 在硅片的前側(cè)積淀第一層多晶硅犧牲層 然后制作第一層 c 在硅片的前側(cè)積淀第二層氮化硅 并在硅片后側(cè)積淀第一層氮化硅 d 制作前側(cè)和后側(cè) e 積淀并制作金屬層 鎳 f 各向異性腐蝕來得到溝槽 Group3 工藝流程 電容式加速度傳感器 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 Group3 電容式加速度傳感器 電容式加速度傳感器從力學角度可以看成是一個質(zhì)量 彈簧 阻尼系統(tǒng) 根據(jù)牛頓第二定律可得力學模型為 Group3 力學模型 其中傳感器無阻尼自振角頻率 傳感器阻尼比分別為 對其進行零初始條件下的拉普拉斯變換 可得傳遞函數(shù)為 可見 如果將傳感器的殼體固定在載體上 只要能把質(zhì)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 壓阻式加速度傳感器 Group3 數(shù)學模型 電容式加速度傳感器可簡化為如圖所示的模型 相當于兩個電容串聯(lián) 建立方程得到電容變化與加速度之間的關系為 質(zhì)量塊由于加速度造成的微小位移可轉(zhuǎn)化為差動電容的變化 并且兩電容的差值與位移量成正比 從而可以測得加速度 壓阻式加速度傳感器 當前大多數(shù)的電容式加速度傳感器都是由三部分硅晶體圓片構(gòu)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 基本結(jié)構(gòu)選擇需要考慮的條件是 量程 剛性約束條件 彈性約束條件 諧振頻率約束 對于梁的選擇一般是選擇U形折疊梁 即可保證其一定的剛度又可以節(jié)省材料 為實現(xiàn)過載保護常采用止擋塊結(jié)構(gòu)來限制敏感質(zhì)量塊運動的最大位移 常用材料是二氧化硅 Group3 工藝構(gòu)造 壓阻式加速度傳感器 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 下面介紹一下工藝流程 Group3 工藝流程 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 壓阻式加速度傳感器 Group3 工藝流程 d 在兩面涂上光刻膠作為濕法刻蝕的梁結(jié)構(gòu) 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 壓阻式加速度傳感器 Group3 工藝流程 g 等刻蝕完成 對稱梁結(jié)構(gòu)形成 h 利用對稱結(jié)構(gòu)確認中間梁位置 i 上下兩層形成2 m的SiO2對稱氧化層來隔絕上中下三層 壓阻式加速度傳感器 Group3 工藝流程 j 隨后通過梁結(jié)構(gòu)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 其他類型的加速度傳感器 光波導式 新 微諧振式 諧振式加速度傳感器是一種典型的微機械慣性器件 基本工作原理是利用振梁的力頻特性 通過檢測諧振頻率變化量獲取輸入的加速度 新 熱對流式 微型熱對流加速度計是利用封閉空氣囊內(nèi)的自由熱對流對加速度敏感性 兩個溫度傳感器對稱地在有氣體的腔體兩側(cè) 中間有一個熱源 新 Group3 目前廣泛應用制備光學加速度計的邁克爾遜 馬赫 曾德等干涉儀的核心部件都包含3dB耦合器 壓電式 壓電式加速度傳感器是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應 在加速度計受振時 質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化 成熟 其他類型加速度傳感器 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(jīng)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(jīng)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(zhì)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 Group3 其他類型加速度傳感器 2 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 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(gòu)實現(xiàn)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(jié)構(gòu)有S結(jié)構(gòu)和雙端固定音叉 Double endedTuningFork DETF 兩種 S結(jié)構(gòu)原理圖如下圖所示 DEFT式就是在質(zhì)量塊的另一半加上和左邊對稱的一套機構(gòu) Group3 其他類型加速度傳感器 3 熱對流加速度計一個被放置在芯片中央的熱源在一個空腔中產(chǎn)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(chǎn)生的電壓是相同的 Group3 其他類型加速度傳感器 4 壓電式加速度計壓電式加速度計利用了壓電效應 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(gòu)造多為基座和質(zhì)量塊之間夾一壓阻材料 Group3 MEMS壓電式加速度計MEMS壓電式加速度計采用的結(jié)構(gòu)與壓阻式微加速度計類似 都是懸臂梁末端加質(zhì)量塊的震動系統(tǒng) 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 THAT SALL ThankYou MEMS