MEMS加速度传感器的原理与构造

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：xxx

xx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 (3)

1.1 压阻式加速度传感器的组成 (3)

1.2 压阻式加速度传感器的原理 (3)

1.2.1 敏感原理 (4)

1.2.2 压阻系数 (5)

1.2.3 悬臂梁分析 (6)

1.3 MEMS压阻式加速度传感器制造工艺 (7)

1.3.1结构部分 (7)

1.3.2 硅帽部分 (9)

1.3.3键合、划片 (10)

2电容式加速度传感器 (10)

2.1电容式加速度传感器原理 (10)

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 (12)

2.2电容式加速度传感器的构造 (13)

2.2.1机械结构布局的选择与设计 (13)

2.3.2材料的选择 (15)

2.3.3工艺的选择 (16)

2.3.4具体构造及加工工艺 (17)

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 (20)

4 加速度传感器的应用 (20)

4.1原理 (20)

4.2 功能 (21)

参考文献 (21)

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，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:

()()

2413

1423SC 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：

L R S

ρ

= 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 ρ

μεερ

=

=++ 对于半导体电阻材料，()/12ρρ

με∆+，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

1112121211121212114444440

00000000000000000000000ij 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