微系统设计与应用加速度传感器的原理与构造班级：2012机自实验班指导教师：xxx小组成员：xxxxx大学机械工程学院二OO五年十一月摘要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。
本文着手于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。
关键词：加速度传感器，压阻式，电容式，原理，构造目录1 压阻式加速度传感器 (2)1.1 压阻式加速度传感器的组成 (2)1.2 压阻式加速度传感器的原理 (2)1.2.1 敏感原理 (3)1.2.2 压阻系数 (4)1.2.3 悬臂梁分析 (5)1.3 MEMS压阻式加速度传感器制造工艺 (6)1.3.1结构部分 (6)1.3.2 硅帽部分 (8)1.3.3键合、划片 (9)2电容式加速度传感器 (9)2.1电容式加速度传感器原理 (9)2.1.1 电容器加速度传感器力学模型 (10)2.1.2电容式加速度传感器数学模型 (11)2.2电容式加速度传感器的构造 (12)2.2.1机械结构布局的选择与设计 (12)2.3.2材料的选择 (14)2.3.3工艺的选择 (15)2.3.4具体构造及加工工艺 (16)3 其他加速度传感器 (18)3.1 光波导加速度计 (18)3.2微谐振式加速度计 (18)3.3热对流加速度计 (19)3.4压电式加速度计 (19)4 加速度传感器的应用 (20)4.1原理 (20)4.2 功能 (20)参考文献 (22)1 压阻式加速度传感器压阻式器件是最早微型化和商业化的一类加速度传感器。
这类加速度传感器的悬臂梁上制作有压敏电阻，当惯性质量块发生位移时:会引起悬臂梁的伸长或压缩，改变梁上的应力分布，进而影响压敏电阻的阻值.压阻电阻多位于应力变化最明显的部位。
这样，通过两个或四个压敏电阻形成的电桥就可实现加速度的测量。
其特点在于压阻式加速度传感器低频信号好、可测量直流信号、输入阻抗低、且工作温度范围宽，同时它的后处理电路简单、体积小、质量轻，因此在汽车、测振、航天、航空、航船等领域有广泛的应用。
1.1 压阻式加速度传感器的组成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 。
1.2 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e U 。
设2R 、4R 为正应变电阻，1R 、3R 为负应变电阻，则电桥的输出表达式为:()()24131423SC e R R R R U U R R R R -=++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:1234R R R R R ==== 1234R R R R R∆=∆=∆=∆=∆则电桥输出的表达式变为:SC e R U U R∆=1.2.1 敏感原理本论文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：LR Sρ= 式中，ρ电阻丝的电阻率;L 电阻丝的长度;S 电阻丝的截面积。
当电阻丝受到拉力F 作用时，将伸长L ∆，横截面积相应减少S ∆,电阻率则因晶格发生变形等因素的影响而改变ρ∆，故引起电阻值变化R ∆。
对全微分，并用相对变化量来表示，则有R L S R L S ρρ∆∆∆∆=-+式中的()/L L ε∆=为电阻丝的轴向应变.常用单位()61110/mm mm μεμε-=⨯。
若径向应变为/r r ∆，由材料力学可知()//r r L L μμε∆=-∆=-，式中μ为电阻丝材料的泊松系数，又因为()/2/S S r r ∆=∆，代入式可得()/12/R R μερρ∆=++∆灵敏系数为()1112dR d GF R ρμεερ==++ 对于半导体电阻材料，()/12ρρμε∆+，即因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要由/ρρ∆引起，即//R R ρρ∆≈∆可见，压阻式传感器就是基于半导体材料的压阻效应而工作的。
1.2.2 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π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111212121112121211444444000000000000000000000000ij πππππππππππππ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦由此矩阵可以看出，独立的压阻系数分量只有11π、12π、44π三个。
11π称为纵向压阻系数; 12π称为横向压阻系数; 44π称为剪切压阻系数.必须强调一下，11π、12π、44π是相对于晶轴坐标系三个晶轴方向的三个独立分量。
有了晶轴坐标系的压阻系数之后，就可求出任意晶向的纵向压阻系数z π及横向压阻系数h π。
设某晶面的晶向的方向余弦为1l 、1m 、1n ，其某一横向的方向余弦为2l 、2m 、2n ，则可求出:()()()()22222211111244111111222222121112441212122z h l m m n l n l l m m n nππππππππππ=---++=+--++如果单晶体在此晶向上同时有纵向应力h σ的作用，则在此晶向上(必须是电流流过方向)的电阻率相对变化，可按下式求得:/z z h h R R πσπσ∆=+此式说明，在同一晶体上/R R ∆由两部分组成，一部分是由纵向压阻效应引起的，一部分是由横向压阻效应引起的。
下表给出了硅和锗中的独立压阻系数分量的值。
cm Ω(/7.8 11.7 1.1 9.91.2.3 悬臂梁分析悬臂梁根部的横向受力：26z mla bh σ=质量块的质量m ；悬臂梁的宽度和厚度b ，h ；质量块中心至悬臂梁根部的距离l ；加速度a悬臂梁的电阻的相对变化率：4423/z z h h mlR R a bhπσπσπ∆=+=1.3 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。
）1.3.1结构部分1.3.2硅帽部分1.3.3键合、划片2 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。
2.1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。
2.1.1 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。
根据牛顿第二定律,对于该力学模型,可以列写出下列二阶微分方程：22n mx cx kx max x x a ζωω++=++=其中 22n c k x m mζωω== 将上式进行零初始条件下的拉普拉斯变换,得 ()()()2mx cs k X s mA s ++=由此可得以加速度作为输入变量a ，质量块相对壳体位移s 为输出变量；传递函数为()()22222112n n X s m A s ms cs k s s s ζωω===+++++()()()2212n n X s G s A s s s ξωω==++ 可见,如果将传感器的壳体固定在载体上,只要能把质量块在敏感轴方向相对壳体的位移测出来,便可以把它作为加速度的间接度量。
由上式可见，传感器无阻尼自振角频率为0ω= 传感器阻尼比为2b kmζ= 从上式可以看出，当处于常加速度输入下的稳态时，其质量块相对壳体位移趋于如下稳态值：20ma a x k ω== 由上式可见，质量块越大，弹性系数越小，即系统无阻尼自振角频率越低，则电容式加速度传感器灵敏度越高。
稳态灵敏度为：21static n m S kω== 2.1.2电容式加速度传感器数学模型当加速度0a =时，质量块位于平衡位置，两差动电容相等，即1200A C C C d ε=== 当加速度a 不为0 时，质量块受到加速度引起的惯性力产生位移x ，两差动电容间隙分别变为10d d x =-20d d x =+100011/A C C d x x d ε==-- 200011/AC G d x x d ε==++ 可得差动方式时总的电容变化量为12000000112x x x C C C C C C d d d ⎛⎫⎛⎫∆=-=+--= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭质量块由于加速度造成的微小位移可转化为差动电容的变化，并且两电容的差值与位移量成正比。