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

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。

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 。

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:

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:

则电桥输出的表达式变为:

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：

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

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

灵敏系数为

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。

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

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:

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:

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

悬臂梁根部的横向受力：

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：

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。）