MEMS加速度传感器地原理与构造

实用标准 微系统设计与应用 文档大全 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：xxx xx 大学机械工程学院 二 OO 五年十一月 实用标准 摘摘要要 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：关键词：加速度传感器，压阻式，电容式，原理，构造 文档大全 实用标准 目目录录 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.9 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 文档大全 实用标准 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U e 。设R 2 、R 4 为正应变电阻，R 1、 R 3 为负应变 电阻，则电桥的输出表达式为: 文档大全 实用标准 U SC  R 2 R 4  R 1R3U eR 1  R 4 R 2  R 3  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: R 1  R 2  R 3  R 4  R R 1  R 2  R 3  R 4  R 则电桥输出的表达式变为: U SC  R U e 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： R  L S 式中，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  ，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  RLS 文档大全 实用标准 式中的L/ L为电阻丝的轴向应变.常用单位11106mm/mm。 若径向应变为r / r，由材料力学可知r /r  L/ L ，式中为电阻丝 材料的泊松系数，又因为S / S  2r /r，代入式可得  R/ R 12/ 灵敏系数为 GF  1 dR1 d 12 R  对于半导体电阻材料，/ 12，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/引起，即R / R  /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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 0 0   11  12  12 0  000 1112  12   12  12  11 00 0   ij   00000 44   0000 44 0   00000  44   由此矩阵可以看出，独立的压阻系数分量只有 11 、 12 、 44 三个。 11 称为纵 文档大全 实用标准 向压阻系数; 12 称为横向压阻系数; 44 称为剪切压阻系数.必须强调一下， 11 、  12 、 44 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 及横向压阻系数 h 。设某晶 面的晶向的方向余弦为l 1 、m 1 、n 1 ，其某一横向的方向余弦为l 2 、m 2 、n 2 ，则可 求出:  z  11 2 11