MEMS加速传感器
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
悬臂梁分析
悬臂梁根部的横向受力：
z
6ml bh2
a
悬臂梁的电阻的相对变化率：
R
/
R
z z
h h
44
3ml bh2
a
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.
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
电容式加速度传感器
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。
GrLoOuGpO3
电容式加速度传感器
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
工艺流程
(a)
在硅片两侧积淀氮化硅。
(b)
在硅片的前侧积淀第一层多晶硅牺牲层，然后制作第一层。
(c)
在硅片的前侧积淀第二层氮化硅，并在硅片后侧积淀第一层氮化硅。
(d)
制作前侧和后侧。
(e)
积淀并制作金属层（镍）。
(f)
各向异性腐蚀来得到沟槽。
GrLoOuGpO3
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
工艺流程
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。下面介绍一下工艺流程：
（a）确定上下极板间的 电容间距 （b）用KOH对 两面的SiO2进行湿法刻 蚀 （c）等SiO2层被去除， 新的氧化层会在两面重新 生成，继续用KOH进行 湿法刻蚀直到SiO2层被 完全去除
信号检测
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。 则电桥输出的表达式变为:
R USC R Ue
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
工艺流程
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。
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
工艺流程
硅微机械加工技术是在传统的集成电路平面工艺的基础上发展起来的，是常规集 成电路工艺和硅微机械加工的独特技术的结合。这些独特的加工技术与常规集成 电路工艺相结合，才能制作出微电子机械系统。微机械加工技术一般分为体硅微 机械加工技术、表面硅微机械加工技术和LIGA技术三类。
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。
GrLoOuGpO3
Βιβλιοθήκη Baidu
压阻式加速度传感器
构造原理
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。
•加速度传感器中的分类
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、伺服式等。
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
压阻式压阻式器件是最早微型化和商业化的一类加速度传感器。基于世界领先的 MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集 成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监 测等领域。
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
•作用机理 压阻式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。
•特点
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。 根据牛顿第二定律可得力学模型为：
其中传感器无阻尼自振角频率、传感器阻尼比分别为：
对其进行零初始条件下的拉普拉斯变换,可得传递函数为：
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。
MLOEGMOS
传感器技术
加速度传感器
目录
1
简述加速度传感器
2
电阻式加速度传感器
3
电容式加速度传感器
4
其他类型加速度传感器
GrLoOuGpO3
篇前语
MEMS是什么？加速度传感器与MEMS什么关 系？
微机电系统（MEMS, Micro-ElectroMechanical System），也叫做微电子机械系统
工艺构造
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。如图一所示， 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。基本结构选择需 要考虑的条件是：量程、刚性约束条件、弹性约束条件、谐振频率约束。对于梁 的选择一般是选择U形折叠梁，即可保证其一定的刚度又可以节省材料。为实现 过载保护常采用止挡块结构来限制敏感质量块运动的最大位移。常用材料是二氧 化硅
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
数学模型
电容式加速度传感器可简化为如图所示的模型，相当于两个电容串联，建 立方程得到电容变化与加速度之间的关系为 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。从而可以测得加速度。
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械 结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、 高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的 微型器件或系统。
GrLoOuGpO3
概述
•加速度传感器 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是 当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也 就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。加 速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传 感器）的改进的。另一种就是线加速度计。
压阻式加速度传感器
悬臂梁分析
悬臂梁根部的横向受力：
z
6ml bh2
a
悬臂梁的电阻的相对变化率：
R
/
R
z z
h h
44
3ml bh2
a
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.
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
电容式加速度传感器
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。
GrLoOuGpO3
电容式加速度传感器
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
工艺流程
(a)
在硅片两侧积淀氮化硅。
(b)
在硅片的前侧积淀第一层多晶硅牺牲层，然后制作第一层。
(c)
在硅片的前侧积淀第二层氮化硅，并在硅片后侧积淀第一层氮化硅。
(d)
制作前侧和后侧。
(e)
积淀并制作金属层（镍）。
(f)
各向异性腐蚀来得到沟槽。
GrLoOuGpO3
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
工艺流程
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。下面介绍一下工艺流程：
（a）确定上下极板间的 电容间距 （b）用KOH对 两面的SiO2进行湿法刻 蚀 （c）等SiO2层被去除， 新的氧化层会在两面重新 生成，继续用KOH进行 湿法刻蚀直到SiO2层被 完全去除
信号检测
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。 则电桥输出的表达式变为:
R USC R Ue
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
工艺流程
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。
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
工艺流程
硅微机械加工技术是在传统的集成电路平面工艺的基础上发展起来的，是常规集 成电路工艺和硅微机械加工的独特技术的结合。这些独特的加工技术与常规集成 电路工艺相结合，才能制作出微电子机械系统。微机械加工技术一般分为体硅微 机械加工技术、表面硅微机械加工技术和LIGA技术三类。
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。
GrLoOuGpO3
Βιβλιοθήκη Baidu
压阻式加速度传感器
构造原理
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。
•加速度传感器中的分类
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、伺服式等。
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
压阻式压阻式器件是最早微型化和商业化的一类加速度传感器。基于世界领先的 MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集 成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监 测等领域。
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
•作用机理 压阻式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。
•特点
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。 根据牛顿第二定律可得力学模型为：
其中传感器无阻尼自振角频率、传感器阻尼比分别为：
对其进行零初始条件下的拉普拉斯变换,可得传递函数为：
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。
MLOEGMOS
传感器技术
加速度传感器
目录
1
简述加速度传感器
2
电阻式加速度传感器
3
电容式加速度传感器
4
其他类型加速度传感器
GrLoOuGpO3
篇前语
MEMS是什么？加速度传感器与MEMS什么关 系？
微机电系统（MEMS, Micro-ElectroMechanical System），也叫做微电子机械系统
工艺构造
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。如图一所示， 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。基本结构选择需 要考虑的条件是：量程、刚性约束条件、弹性约束条件、谐振频率约束。对于梁 的选择一般是选择U形折叠梁，即可保证其一定的刚度又可以节省材料。为实现 过载保护常采用止挡块结构来限制敏感质量块运动的最大位移。常用材料是二氧 化硅
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
数学模型
电容式加速度传感器可简化为如图所示的模型，相当于两个电容串联，建 立方程得到电容变化与加速度之间的关系为 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。从而可以测得加速度。
GrLoOuGpO3
压阻式加速度传感器
微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械 结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、 高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的 微型器件或系统。
GrLoOuGpO3
概述
•加速度传感器 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是 当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也 就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。加 速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传 感器）的改进的。另一种就是线加速度计。