基于MEMMS電容式加速度傳感器的設(shè)計(jì)_圖文

1、目 錄中文摘要. 1英文摘要. 21 引言. 32 電容式加速度傳感器. 62.1 各式加速度傳感器的比較 . 62.2 電容式加速度傳感器的分類 . 102.3 電容式加速度傳感器設(shè)計(jì)方法選擇與優(yōu)化 . 122.4 電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)梁的設(shè)計(jì) . 153 加速度計(jì)主要失效模式和失效機(jī)理. 203.1 表面粘附 . 203.2 結(jié)構(gòu)斷裂 . 213.3 分層失效 . 213.4 輻射失效 . 224 硅-玻璃鍵合加速度傳感器的工藝過(guò)程. 234.1 工藝相關(guān) . 234.2 工藝過(guò)程 . 245 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與仿真. 285.1 MEMES-PRO軟件環(huán)境. 285.2 加速度傳感器相關(guān)部件、

2、電路及波形 . 28結(jié)論. 31謝辭. 32參考文獻(xiàn). 33基于MEMMS 電容式加速度傳感器的設(shè)計(jì) 摘要：加速度傳感器的設(shè)計(jì)與研究在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)持續(xù)了很多年。在這段研究中，各式各樣的加速度計(jì)在不斷出現(xiàn)。本文從MEMS 的發(fā)展入筆，羅列傳感器重要特性，比較硅微電容式加速度傳感器、硅微壓阻式加速度傳感器、硅微熱電偶式等各種傳感器，介紹相關(guān)原理和一些用途。選取電容式加速度傳感器作為方向，闡述相關(guān)設(shè)計(jì)原則和注意事項(xiàng)。針對(duì)微機(jī)械電容式加速度計(jì)主要有三種結(jié)構(gòu)，即三明治擺式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)、蹺蹺板擺式加速度計(jì)和梳齒式微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)其原理作比較詳盡的介紹，對(duì)工藝實(shí)現(xiàn)難易作出比較。論述加速度傳感器的相關(guān)優(yōu)化方案

3、的選取，粱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇和體硅加工等系列方案選取。進(jìn)而說(shuō)明加速度計(jì)的主要失效模式和實(shí)效機(jī)理。最后選取一種加速度計(jì)，介紹其涉及到的MEMS 工藝和工藝步驟。介紹MEMS 軟件的相關(guān)應(yīng)用。關(guān)鍵詞：MEMS ，加速度傳感器，電容式Abstract: Accelerometer Design and Research has been going on at home andabroad for many years. During this study , a wide range of emerging in the accelerometer. In this paper, the develo

4、pment of MEMS as a starting point, list the important characteristics of the sensor, compare among micro-silicon capacitive accelerometer, micro-silicon piezoresistive accelerometer, micro-silicon thermocouple accelerometer and other types, introduce the relevant principles and some uses. Select cap

5、acitive accelerometer as the main point, expound the related design principles and attention. cantilever beam micromachined silicon accelerometer, pendulous micromachined silicon accelerometer and finger-shaped micromachined silicon accelerometer, as the main structures in micro-silicon capacitive a

6、ccelerometers, we have a detailed introduction about the principle and comparison about the processes. Expound the optimization of sensor, beam structure, bulk processing and other related respects. Then explain the main failure mode and effectiveness of the mechanism of the acceleration. Finally, s

7、elect an accelerometer to introduce MEMS technology involved and the process steps. Introduce the applications of MEMS software.Keywords : MEMS, acceleration sensor, capacitive1 引言MEMS 技術(shù)發(fā)展的始點(diǎn)是集成電路（IC ）技術(shù)。Intel 公司1971年推出的Intel 4004處理器芯片只集成了2250個(gè)晶體管，1982年問(wèn)世的Intel 286集成了120000個(gè)晶體管，而1999年推出的Pentium 處理器

8、集成的晶體管數(shù)目則達(dá)到了24000000。集成電路技術(shù)驚人的發(fā)展速度，是其它領(lǐng)域不能匹敵的。每隔12到18個(gè)月，芯片上晶體管的集成密度就會(huì)翻倍，這個(gè)增長(zhǎng)規(guī)律被稱為摩爾定律（Moore Law ）。這么多年以來(lái)，集成電路產(chǎn)業(yè)按照摩爾定律一直發(fā)展到今天，推動(dòng)著信息社會(huì)的迅速發(fā)展。電子器件小型化和多功能集成是微加工技術(shù)的推動(dòng)力。如果沒(méi)有微加工和小型化技術(shù)的迅猛發(fā)展，許多今天看來(lái)理所當(dāng)然的科學(xué)和工程成就就都不能實(shí)現(xiàn)。這些應(yīng)用包括成指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用、蜂窩電話、數(shù)碼照相（攝像、存儲(chǔ)、傳輸和顯示）、平板顯示、等離子電視、節(jié)能汽車(chē)、人類基因組測(cè)序（大約包括有30億個(gè)堿基對(duì)）、快速的DNA 序列

9、識(shí)別、新材料和藥物的發(fā)現(xiàn)以及電子戰(zhàn)等。MEMS 是由集成電路技術(shù)發(fā)展而來(lái)，經(jīng)過(guò)大約20年的萌芽階段，開(kāi)展了一些有關(guān)MEMS 的零散研究，使得體硅加工技術(shù)和表面加工技術(shù)迅速成熟起來(lái)。到了20世紀(jì)90年代，全世界的MEMS 研究進(jìn)入了一個(gè)突飛猛進(jìn)、日新月異的發(fā)展階段。一批研究成果有了實(shí)際應(yīng)用。其中最典型的是美國(guó)Analog Devices（模擬器件）公司生產(chǎn)的用于汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)的集成慣性傳感器和美國(guó)Texas Instruments （德州儀器）公司生產(chǎn)的用于投影顯示的數(shù)字光處理芯片。與傳統(tǒng)宏觀的機(jī)電系統(tǒng)相比，MEMS 技術(shù)有與其區(qū)別的自身本質(zhì)特征：（1）小型化。典型的MEMS 器件的長(zhǎng)度尺寸大

10、約在1 m 1cm 之間，當(dāng)然，MEMS 器件陣列或整個(gè)MEMS 系統(tǒng)的尺寸會(huì)更大些。小尺寸能夠?qū)崿F(xiàn)柔性支撐、帶來(lái)高諧振頻率、低熱慣性等很多優(yōu)點(diǎn)。小型化可能帶來(lái)一些問(wèn)題，比如有些在宏觀尺度下非常顯著的物理效應(yīng)，當(dāng)器件尺寸變小以后，性能可能變得很差。還有就是，有些對(duì)于宏觀器件可忽略的物理效應(yīng)，在微觀尺度范圍內(nèi)會(huì)突然變得突出，即比例尺度定律。（2）微電子集成。MEMS 最獨(dú)特的特點(diǎn)之一就是可以將機(jī)械傳感器和執(zhí)行器與處理電路和控制電路同時(shí)集成在同一塊芯片上。這種單片集成技術(shù)應(yīng)用整片襯底的加工流程，將不同部件集成在單片襯底上，不包含機(jī)械拾取或人工裝配等混合組裝方法。光刻技術(shù)可以確保器件尺寸和元件位置的

11、精確性。（3）高精度的批量制造。MEMS 加工技術(shù)可以高精度地加工二維、三維結(jié)構(gòu)，而采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)不能重復(fù)地、高效地、或者低成本地加工這些微結(jié)構(gòu)。結(jié)合光刻技術(shù)，MEMS 技術(shù)可以加工獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的機(jī)械加工和制造技術(shù)制備這些結(jié)構(gòu)難度大、效率低?，F(xiàn)代光刻系統(tǒng)和光刻技術(shù)可以很好地定義結(jié)構(gòu)、整片工藝的一致性好、批量制造的重復(fù)性也非常好。MEMS技術(shù)帶來(lái)了傳感器和執(zhí)行器的革命性變化。一般來(lái)說(shuō)，傳感器是用來(lái)探測(cè)和監(jiān)測(cè)物理化學(xué)現(xiàn)象的器件，而執(zhí)行器是用來(lái)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)、力和扭矩的器件。傳感器和執(zhí)行器可以統(tǒng)稱為換能器，換能器可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)和能量由一種能量轉(zhuǎn)換為另一種能量。比較受關(guān)注的能域主要有六個(gè)，

12、分別是電能、機(jī)械能、化學(xué)能、輻射能、磁能和熱能。本論文將要論述到的是加速度傳感器，它是將運(yùn)動(dòng)物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電容的變化，再通過(guò)接口電路分析相應(yīng)加速度。傳感器可分為兩類：物理傳感器和生化傳感器。物理傳感器測(cè)量力、加速度、壓力、溫度、流速、聲波振動(dòng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度等物理量。加速度傳感器就是一種典型的物理傳感器。 有很多傳感原理都可以實(shí)現(xiàn)某種信號(hào)的敏感。一般來(lái)說(shuō)，傳感器研發(fā)者必須根據(jù)很多性能要求評(píng)價(jià)不同的能量轉(zhuǎn)換途徑和設(shè)計(jì)。下面羅列傳感器的最重要的一些特性：(1靈敏度。靈敏度定義為輸出信號(hào)與輸入激勵(lì)之間的比值。必須注意，靈敏度可能是輸入激勵(lì)幅值和頻率、溫度、偏置以及其它變量的函數(shù)。(2線性度。如果輸

13、出信號(hào)隨著輸入信號(hào)的變化成比例地變化，那么就說(shuō)響應(yīng)時(shí)線性的。線性的響應(yīng)可以降低信號(hào)處理電路的復(fù)雜度。(3響應(yīng)特性。響應(yīng)特性包括精度、分辨率或測(cè)量極限。它表明了傳感器能夠有效測(cè)量出來(lái)的最小輸入信號(hào)的大小，它通常受傳感元件和電路的噪聲限制。任何干擾目標(biāo)信號(hào)識(shí)別的信號(hào)都可以視為噪聲，噪聲本來(lái)也可以是另一個(gè)信號(hào)（干擾）。我們通常所指的噪聲是用來(lái)描述物理隨即噪聲，如熱噪聲。干涉噪聲可以采用電子屏蔽等方法校正或消除，但隨即噪聲確實(shí)普遍存在的，它有著眾多的基本來(lái)源。對(duì)于MEMS 傳感器，噪聲主要源于以下幾個(gè)方面：aJohnson 噪聲是白噪聲，它表現(xiàn)為由于內(nèi)部電子或粒子隨機(jī)性熱漲落所產(chǎn)生的電阻開(kāi)路電壓。Jo

14、hnson 噪聲的RMS 值定義為： noise V （1-1） 式中，k 為玻耳茲曼常數(shù)；T 為絕對(duì)溫度；R 為電阻值；B 為單位為Hz 的帶寬。Johnson 噪聲的幅值分布服從高斯分布。b散粒噪聲，是另一種高斯分布的白噪聲。它來(lái)源于電荷的不連續(xù)傳輸導(dǎo)致 的電流量子隨機(jī)漲落。散粒噪聲可以表示為noise I q 、d c I 和B 分別是電荷、直流電流和單位為Hz 的測(cè)量帶寬。c1/f噪聲，也稱為閃爍噪聲。它是由于電流流過(guò)電阻時(shí)的電導(dǎo)率隨機(jī)漲落產(chǎn)生的。顧名思義，1/f噪聲與頻率有關(guān)。優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)可以減小1/f噪聲。 d對(duì)于很多可動(dòng)的MEMS 傳感器來(lái)說(shuō)，如加速度傳感器，熱-機(jī)械本底噪聲是

15、另一個(gè)重要的噪聲源。熱-機(jī)械噪聲是因?yàn)槲⒔Y(jié)構(gòu)周?chē)臍怏w分子由于布朗運(yùn)動(dòng)與微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生機(jī)械碰撞，導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)振動(dòng)而產(chǎn)生的。熱-機(jī)械本底噪聲與玻耳茲曼常數(shù)、溫度、品質(zhì)因子和彈性常數(shù)、諧振頻率和測(cè)量帶寬的平方根成正比。通過(guò)對(duì)時(shí)間或?qū)υS多器件進(jìn)行整體平均可以降低熱-機(jī)械本底噪聲。(4信噪比（SNR ）。SNR 表示信號(hào)幅值與噪聲幅值之間的比值。(5動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍是指可測(cè)得的最高信號(hào)水平和最低信號(hào)水平之間的比值。在很多應(yīng)用中都要求有較大的動(dòng)態(tài)范圍。(6帶寬。對(duì)于常量和時(shí)變信號(hào)，傳感器會(huì)有不同的響應(yīng)。通常，傳感器很難響應(yīng)頻率非常高的信號(hào)。有效響應(yīng)的范圍稱為帶寬。(7漂移。由于材料的機(jī)械和電學(xué)性質(zhì)會(huì)隨時(shí)發(fā)生

16、變化，故傳感器的相應(yīng)特性就會(huì)發(fā)生漂移。漂移較大的傳感器不能有效地測(cè)量緩慢變化的信號(hào)，如檢測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力隨時(shí)間的變化。(8傳感器的可靠性。傳感器的性能會(huì)隨時(shí)間發(fā)生改變，特別是在惡劣的環(huán)境條件下。軍用傳感器必須滿足軍用標(biāo)準(zhǔn)。這類用途的傳感器要求在比較大的溫度范圍內(nèi)（-55到 105）達(dá)到規(guī)定的可靠性和可信度。目前很多工業(yè)界已經(jīng)建立了很多傳感器使用指南和標(biāo)準(zhǔn)。(9串?dāng)_和干擾。用來(lái)測(cè)量某一變量的傳感器可能對(duì)另一變量也敏感。于加速度傳感器來(lái)講，用于測(cè)量某一特定方向加速度的加速度傳感器，可能會(huì)對(duì)垂直方向的加速度產(chǎn)生一定的響應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要將傳感器的交叉敏感降低到最小。(10開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間。研究者都希望

17、降低傳感器成本、縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。快速的市場(chǎng)化時(shí)間，對(duì)那些針對(duì)某種特殊需求開(kāi)發(fā)的商業(yè)化傳感器很重要。許多取得商業(yè)化成功的傳感器都經(jīng)過(guò)了很長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，耗費(fèi)了巨大的成本。將MEMS 傳感器的開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間減少到目前專用集成電路（ASIC ）的水平是很有吸引力的。2 電容式加速度傳感器隨著硅微加工的迅速發(fā)展，各種器件開(kāi)始出現(xiàn)，加速度傳感器就是其中一種運(yùn)用比較成功、范圍較廣的器件。它和其它種種MEMS 器件一樣，具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)，而且因?yàn)槠浼庸すに囈欢ǔ潭壬吓c傳統(tǒng)的集成電路工藝兼容，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化以及批量生產(chǎn)，因而從問(wèn)世起就引起廣泛關(guān)注，并且在汽車(chē)安全氣囊、心臟

18、起搏器、地震檢測(cè)等方面得到了廣泛應(yīng)用。2.1 各式加速度傳感器的比較對(duì)于目前五種常見(jiàn)的基于MEMS 技術(shù)的加速度傳感器，本文將從物理結(jié)構(gòu)的角度對(duì)這幾種傳感器的測(cè)量原理進(jìn)行了分析，著重介紹已經(jīng)較為成熟且形成產(chǎn)業(yè)化的硅微電容式、壓阻式、熱電偶式加速度傳感器，簡(jiǎn)要分析和介紹目前較為前沿的光波導(dǎo)式加速度傳感器。2.1.1 硅微電容式加速度傳感器硅微電容式加速度傳感器的敏感部件通常為梳齒狀結(jié)構(gòu)，如圖2.1所示。敏感元件由活動(dòng)部分A 、B 和固定電極三部分組成。其中，活動(dòng)部分由超靜定梁、質(zhì)量塊以及與質(zhì)量塊相連的活動(dòng)電極組成。整個(gè)梳齒結(jié)構(gòu)分成A 和B 兩部分，固定電極分成固定電極a 和固定電極b 。固定電極

19、a 與上半部分活動(dòng)電極組成電容Ca ，固定電極b 與下半部分活動(dòng)電極組成電容Cb 。設(shè)計(jì)時(shí)，將上下極板不同區(qū)域的電極引線分開(kāi)，試驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)需要將其短接或者分開(kāi)接。當(dāng)有加速度i a 輸入時(shí)，慣性力使活動(dòng)極板產(chǎn)生一個(gè)偏角 ，使電容器C1的電容量增加，C2的電容量減小，通過(guò)線路轉(zhuǎn)換，把電容器C1、C2的電容量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)相敏放大后把輸出電壓反饋到電容靜電力矩器，電容力矩器產(chǎn)生的靜電力矩與慣性力矩平衡，使活動(dòng)質(zhì)量塊保持早原有的平衡位置，通過(guò)反饋電壓的正負(fù)和大小來(lái)度量輸入加速度的方向和大小。假設(shè)在受到加速度作用時(shí)，在慣性力-ma 作用下，檢測(cè)質(zhì)量塊在一特定方向（敏感方向）運(yùn)動(dòng)，使得動(dòng)極板兩側(cè)電容C

20、a 、Cb 發(fā)生了變化。兩側(cè)電容的差值（2倍于單側(cè)電容變化量）經(jīng)過(guò)激勵(lì)正弦波信號(hào)調(diào)制，由電容檢測(cè)器檢出。該信號(hào)經(jīng)交流放大器放大、檢波和適當(dāng)?shù)男Ｑa(bǔ)，反饋到中間極板，由其在電容器極板間產(chǎn)生靜電力，此靜電力的力矩使檢測(cè)質(zhì)量塊保持在零位。它與加速度作用所引入的力矩大小相等，方向相反。當(dāng)系統(tǒng)處于平衡時(shí)，慣性力與反饋力平衡，就其他笑來(lái)說(shuō)，ma= fb F 。若視電容為理想平板電容（關(guān)于邊緣效應(yīng)等電容誤差會(huì)在后面關(guān)于誤差分析的地方闡明），上下電容間隙相等，則靜電反饋力為：2222( 22DC DC fb eS V V eS V V F d d +-=-= （2-1） 22D C eSV Vd 令：a k V

21、 =則 ：22D C eSV k m d =式中：a 慣性加速度；m 質(zhì)量塊質(zhì)量；d 上、下電容間隙；S 電容極板總面積e 介電常數(shù)；D C V 直流偏壓。所以k 為常數(shù)，表明加速度與反饋電壓成正比，這意味著傳感器輸出線性地反映了其感受的加速度大小。采用MEMS 有關(guān)工藝制成的微加速度計(jì)，其敏感芯片的體積僅為5mm 見(jiàn)方，和成人的小指甲蓋大小差不多，比采用精密機(jī)械加工成的加速度計(jì)小12個(gè)數(shù)量級(jí)。由于其質(zhì)量小，因此能承受高沖擊，試驗(yàn)測(cè)的這種原理的微加速度計(jì)在不加點(diǎn)狀態(tài)下x y z 、三個(gè)方向至少可以承受數(shù)百乃至數(shù)千g 以上的沖擊。 圖2.1 電容式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖2.1.2 硅微壓阻式加速度傳感

22、器半導(dǎo)體單晶硅材料在受到外力作用，會(huì)產(chǎn)生肉眼察覺(jué)不到的極微小應(yīng)變，其原子結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電子能級(jí)狀態(tài)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其電阻率劇烈的變化，由其材料制成的電阻也就出現(xiàn)極大變化，這種物理效應(yīng)叫做壓阻效應(yīng)。它較之傳統(tǒng)的膜合電位計(jì)式、力平衡式、變電感式、變電容式、金屬應(yīng)變片式及半導(dǎo)體應(yīng)變片式傳感器技術(shù)上先進(jìn)的多。從20世紀(jì)80年代中期以后，在美、日、歐傳感器市場(chǎng)上，它已是壓力傳感器中占據(jù)主流的品種，并與壓電式幾乎平分了加速度傳感器的國(guó)際市場(chǎng)。目前，在以大規(guī)模集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)介入為特色的智能傳感器技術(shù)中，由于它能做成單片式多功能復(fù)合敏感元件來(lái)構(gòu)成智能傳感器的基礎(chǔ)，因而備受矚目。壓阻式傳感器由一個(gè)振

23、動(dòng)片和4個(gè)用微機(jī)械技術(shù)處理形成的褶曲部分組成，4個(gè)支架中的每一個(gè)都含有2個(gè)移植的電阻，它們互相連接形成一個(gè)惠斯登電橋，當(dāng)它承受一個(gè)加速度時(shí)，這個(gè)片將上下移動(dòng)，導(dǎo)致4個(gè)電阻值增加，其它4個(gè)減少，這樣就形成了一個(gè)與電源電壓成比例地電壓變化。這8個(gè)電阻如果互相聯(lián)接，將會(huì)使任何偏離軸線的加速度的影響無(wú)效。硅的頂部和底部的帽與容納振動(dòng)片和支架的部分相連，硅帽有幾個(gè)用途，精密的缺口蝕刻在帽上提供了空氣緩沖，到幾kHz 的頻率響應(yīng)是呈水平趨勢(shì)，受溫度影響較小。結(jié)構(gòu)中的頂帽用來(lái)在沒(méi)有加速度時(shí)檢測(cè)加速度計(jì)，實(shí)現(xiàn)自檢功能。當(dāng)提供給硅頂帽金屬極一個(gè)電壓時(shí)，靜電力驅(qū)使振動(dòng)片朝頂帽移動(dòng)。這導(dǎo)致了一個(gè)與靈敏度和應(yīng)用電壓的

24、平方成比例地輸出電壓變化，這樣為應(yīng)用一個(gè)電壓產(chǎn)生一個(gè)加速度和檢測(cè)機(jī)械和電子結(jié)構(gòu)的性能提供了可能。2.1.3 硅微熱電偶式加速度傳感器硅微熱電偶式的加速度傳感器目前多應(yīng)用于低成本的傳感器領(lǐng)域，此類加速度傳感器既可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，也可以測(cè)量靜態(tài)加速度。基于熱交換原理，介質(zhì)是氣體。如圖2.2所示，熱源的四周均勻分布有熱電偶堆（鋁/多晶硅）。圖中的加速度傳感器上有兩路信號(hào)，一路是測(cè)量X 軸加速度的，另一路是測(cè)量Y 軸加速度的。在沒(méi)有加速度的情況下，熱源的溫度梯度均勻分布，對(duì)四周的熱電偶而言，溫度是一樣的，輸出的電壓也是一樣的。熱自由交換，任何方向的加速度將打破溫度分布平衡，使之分布不平衡。輸出的電壓

25、也將隨之改變。熱電偶輸出的電壓差和加速度成正比例。 圖2.2 熱電偶傳感器示意圖2.1.4 硅微諧振式加速度傳感器諧振式傳感器的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)在于，它的準(zhǔn)數(shù)字量輸出可直接用于復(fù)雜的數(shù)字電路而免去了其它類型傳感器在信號(hào)傳遞方面的諸多不便。諧振式傳感器的敏感元件是諧振子，其固有諧振特性決定了該類型傳感器具有很高的靈敏度和分辨率，但問(wèn)題也由此而來(lái)。（1）硅諧振子的材料質(zhì)量和制作質(zhì)量一定要得到保證。（2）要有足夠高精度的數(shù)字信號(hào)處理電路來(lái)監(jiān)測(cè)輸出頻率信號(hào)的微弱變化。隨著硅材料工藝、微機(jī)械加工工藝和集成電路的飛速發(fā)展，這些問(wèn)題變得容易解決，這也使得諧振式傳感器成為低成本、高性能傳感器的突出代表。出于對(duì)靈敏度的

26、考慮，體硅加工的傳感器結(jié)構(gòu)往往設(shè)計(jì)為單邊支撐的懸臂梁結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)很明顯。它有著很大的橫向靈敏度，所以在方向性要求較高的情況下，需要選擇對(duì)稱的梁塊結(jié)構(gòu)?；谝延械膲鹤枋襟w硅微加速度傳感器的研制，在支撐框架與質(zhì)量塊之間同時(shí)制作支撐梁和諧振梁，這樣的設(shè)計(jì)既可以借用已有的成熟工藝，又為進(jìn)一步的傳感器-檢測(cè)電路系統(tǒng)集成提供了工藝兼容的便利條件。利用同樣的思想就可以在其它的梁塊結(jié)構(gòu)的合適位置上制作出諧振梁。例如，在4角固支結(jié)構(gòu)的4邊同時(shí)制作了4條諧振梁。而且，這4條諧振梁也可以同時(shí)用作支撐作用而省去原來(lái)的支撐梁，從而增加了檢測(cè)的靈敏度。圖2.3示意了諧振梁的制作位置及尺寸。 圖2.3 諧振式傳感

27、器結(jié)構(gòu)示意圖2.1.5 硅微光波導(dǎo)加速度傳感器硅微光波導(dǎo)加速度傳感器是一種較為新型的加速度傳感器，其原理結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。射入波導(dǎo)1的一束光，到達(dá)分束器BS 時(shí)，分為透射和反射兩個(gè)部分，其中反射部分進(jìn)入波導(dǎo)4，并到達(dá)光探測(cè)器2。透射部分進(jìn)入波導(dǎo)2，波導(dǎo)2穿過(guò)懸臂梁的頂部，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)微小的空氣間隙耦合到波導(dǎo)3，當(dāng)探測(cè)器1的作用時(shí)探測(cè)進(jìn)入波導(dǎo)3的光強(qiáng)。加速度為0時(shí)，波導(dǎo)2和波導(dǎo)3端面正對(duì)，此時(shí)經(jīng)空氣間隙耦合進(jìn)入波導(dǎo)3的光最強(qiáng)。因?yàn)榭諝忾g隙距離僅有幾微米，可以認(rèn)為從波導(dǎo)2出射的光完全照射在波導(dǎo)3的端面上，進(jìn)入波導(dǎo)3的光強(qiáng)度僅同波導(dǎo)3界面的反射率有關(guān)。當(dāng)加速度不為0，在質(zhì)量塊慣性力作用下，懸臂梁將

28、發(fā)生彎曲，此時(shí)波導(dǎo)2和波導(dǎo)3相對(duì)截面間將發(fā)生一個(gè)微小位移，位移量的大小是加速度的函數(shù)?？山普J(rèn)為波導(dǎo)3截面上的光入射角不隨加速度的大小變化，耦合到波導(dǎo)3的光強(qiáng)僅同二者正對(duì)截面大小有關(guān)，通過(guò)測(cè)量波導(dǎo)3光強(qiáng)的變化，可以得到相應(yīng)的加速度值。 圖2.4 集成光強(qiáng)調(diào)制型光波導(dǎo)加速度傳感器2.2 電容式加速度傳感器的分類基于電容變化的原理來(lái)對(duì)加速度進(jìn)行檢測(cè)的微機(jī)械電容式加速度計(jì)具有制作工藝簡(jiǎn)單、溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好、阻尼系數(shù)容易控制等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。電容式加速度傳感器的基本參數(shù)如固有頻率，非線性度，分辨率、量程、穩(wěn)定性等首先取決于其本身結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究具有重要的理論意義及應(yīng)用價(jià)

29、值。2.2.1 微機(jī)械電容式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則微機(jī)械電容式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要綜合考慮各項(xiàng)性能以達(dá)到最佳的整體性能?？紤]硅材料的固有材料特性和微加速度計(jì)的實(shí)際功能，在硅微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了應(yīng)滿足具有較好的強(qiáng)度、易于加工和線性原則外，還應(yīng)考慮一下一些原則：（1）同向性原則：當(dāng)硅微結(jié)構(gòu)受到各方向沖擊作用時(shí)，只有某一個(gè)或某幾個(gè)方向最為敏感，其余方向則是遲鈍的。同向性原則可以保證被傳感信息的有效性和無(wú)干擾性。（2）靈敏性設(shè)計(jì)原則：靈敏性設(shè)計(jì)是指在硅微結(jié)構(gòu)空間中，微納米量級(jí)的位移能反映加速度的變化。并能有效地用相關(guān)的電物理量（如電容量）測(cè)定出來(lái)。即有著較好的靈敏度。2.2.2 微機(jī)械電容式加速度

30、計(jì)的三種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)微機(jī)械電容式加速度計(jì)主要有三種結(jié)構(gòu)，即三明治擺式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)、蹺蹺板擺式加速度計(jì)和梳齒式微加速度計(jì)。(1 三明治擺式電容加速度計(jì)三明治擺式電容加速度計(jì)又稱為懸臂梁式硅微機(jī)械加速度計(jì)（Cantilever Beam Micromachined Silicon Accelerometer，CMSA ），是一種夾層結(jié)構(gòu)的微機(jī)械加速度計(jì)，因動(dòng)極板被夾在固定極板中間形似三明治（Sandwich ）而得名。該結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，電容可動(dòng)極板由中間的敏感質(zhì)量硅擺片的上下兩面用電鍍的方法制成，與相對(duì)應(yīng)的固定極板組成一組差動(dòng)電容來(lái)敏感輸入加速度的大小。當(dāng)質(zhì)量塊受到加速度激勵(lì)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容極板間距

31、隨之變化，差動(dòng)電容大小發(fā)生改變，理論推導(dǎo)可知差動(dòng)電容的大小和加速度在質(zhì)量塊位移較小的情況下成近似線性比例關(guān)系。但是該結(jié)構(gòu)需要在敏感質(zhì)量塊上進(jìn)行雙面光刻，要求工藝設(shè)備較多，工藝難度較大。如果排除加工難度的因素，這種結(jié)構(gòu)式較理想的，可作出精度較高、封閉性較好的加速度計(jì)。在這方面的研究上，美國(guó)Litton 公司、德國(guó)Litef 公司、瑞士Neuchatel 大學(xué)以及日本日立公司和東北大學(xué)均采用體加工法，分別研制成功該結(jié)構(gòu)g 級(jí)的高精度微機(jī)械加速度計(jì)，表頭為玻璃硅玻璃或硅硅硅三明治結(jié)構(gòu)。(2 蹺蹺板擺式電容加速度計(jì)蹺蹺板擺式電容加速度計(jì)又稱扭擺式硅微加速度計(jì)（Pendulous Micromachin

32、ed Silicon Accelerometer ，PMSA ），因敏感質(zhì)量繞著彈性梁扭轉(zhuǎn)形似蹺蹺板而得名。其典型代表是美國(guó)Draper 實(shí)驗(yàn)室于1990年研制的微機(jī)械加速度計(jì)，其敏感質(zhì)量與下面的玻璃基片之間形成差動(dòng)檢測(cè)電容。由于質(zhì)量片分別位于承扭梁兩邊的質(zhì)量和慣性矩不相等，所以當(dāng)存在垂直于質(zhì)量片的加速度輸入時(shí)，質(zhì)量片將繞著支撐梁旋轉(zhuǎn)，從而使相應(yīng)的一對(duì)差動(dòng)電容一個(gè)增大一個(gè)減小，測(cè)量差動(dòng)電容值既可得到沿敏感軸輸入的加速度。它的檢測(cè)電路與ADXL50類似。擺片與基片之間形成差動(dòng)電容由100kHz 載波信號(hào)激勵(lì)，輸出的電壓經(jīng)過(guò)放大和相敏解調(diào)后作為反饋信號(hào)加給力矩器電容極板，產(chǎn)生靜電力，使得極板間的轉(zhuǎn)

33、角回到零位附近。加在力矩器電容極板上的平衡電壓和被測(cè)加速度成線性關(guān)系。(3 梳齒式電容加速度計(jì)梳齒式硅微機(jī)械加速度計(jì)（Finger-shaped Micromachined Silicon Accelerometer ，簡(jiǎn)寫(xiě)為FMSA ）因活動(dòng)電極形似梳齒而得名，又稱叉指式電容加速度計(jì)，是微加速度計(jì)的一種典型結(jié)構(gòu)。梳齒式微加速度計(jì)是梳齒式微加速度計(jì)具有靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、功耗比較低、直流特性好等特點(diǎn)，但是容易受到電磁干擾。該類型的加速度計(jì)可以通過(guò)把若干極板面積較小的電容并連起來(lái)形成相對(duì)較大的電容以提高分辨率，而且可以制作反饋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，利于精度的提高。此外，此類型微加速

34、度計(jì)的制作方法基本上與大規(guī)模集成電路的工藝技術(shù)相互兼容。綜上便利條件，目前梳齒式微加速度計(jì)研究較多并已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用。2.3 電容式加速度傳感器設(shè)計(jì)方法選擇與優(yōu)化一種梳齒式微加速度計(jì)的活動(dòng)敏感質(zhì)量元件是一個(gè)為H 形的雙側(cè)數(shù)尺結(jié)構(gòu)，相對(duì)于固定活動(dòng)敏感質(zhì)量元件的基片懸空并與基片平行，與兩端撓性梁結(jié)構(gòu)相連，并通過(guò)立柱固定于基片上。每個(gè)梳齒由中央質(zhì)量桿（齒樞）向其兩側(cè)伸出可以運(yùn)動(dòng)，稱為動(dòng)齒（動(dòng)指），構(gòu)成可變電容的一個(gè)活動(dòng)電極，直接固定在基片上的為定齒（定指），構(gòu)成可變電容的一個(gè)固定電極，定齒動(dòng)齒交錯(cuò)配置形成差動(dòng)電容。利用數(shù)尺結(jié)構(gòu)，主要是為了增大了重疊部分的面積，獲得更大的電容。按照定齒的配置可分為

35、定齒均勻配置梳齒電容加速度計(jì)和定齒偏置結(jié)構(gòu)的梳齒電容加速度計(jì)；而按照加工方式的不同又可分為表面加工梳齒電容加速度計(jì)和體硅加工梳齒電容加速度計(jì)；再者可按照控制方式的不同分為開(kāi)環(huán)控制加速度計(jì)和閉環(huán)控制加速度計(jì)。下面結(jié)合上述一些分類及特點(diǎn)，利用實(shí)例做一些典型分析。2.3.1 表面加工和體硅加工定齒均勻配置梳齒式電容加速度傳感器表面加工定齒均配置梳齒式電容加速度計(jì)的典型結(jié)構(gòu)如圖2.5所示，每組定齒由型齒和兩個(gè)L 型齒組合而成，每個(gè)動(dòng)齒與一個(gè)型定齒和一個(gè)L 型定齒交錯(cuò)等距離配置形成差動(dòng)結(jié)構(gòu)。該方案的主要優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省管芯版面尺寸，這對(duì)于表面加工的微機(jī)械傳感器是適當(dāng)?shù)摹５捎诒砻婕庸さ玫降氖猃X式結(jié)構(gòu)測(cè)量電

36、容偏小，影響了梳齒式微機(jī)械傳感器分辨率和精度的進(jìn)一步提高。為了提高微機(jī)械傳感器的分辨率和精度，一般采用體硅加工方法加工得到定齒偏置結(jié)構(gòu)的梳齒電容加速度計(jì)。 圖2.5 表面加工定齒均勻配置梳齒式電容加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖2.3.2 體硅加工定齒偏置結(jié)構(gòu)梳齒式微機(jī)械電容加速度計(jì)定齒偏置配置梳齒式電容加速度計(jì)的典型結(jié)構(gòu)如圖2.6所示、與表面加工的定齒均置的結(jié)構(gòu)有所不同，定齒為單側(cè)梳齒式結(jié)構(gòu)；以敏感質(zhì)量的縱向?qū)ΨQ軸為界，左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱。上下相對(duì)的定齒是電連通的，左側(cè)定齒的電極性與右側(cè)定齒的電極性相反。敏感質(zhì)量元件的每一個(gè)動(dòng)齒與相鄰的兩個(gè)定齒的每個(gè)梳齒交錯(cuò)配置，整個(gè)結(jié)構(gòu)形成以梳齒為中點(diǎn)左右對(duì)稱，總體形成

37、差動(dòng)電容。每一個(gè)動(dòng)齒與兩側(cè)相鄰的定齒之間的間距分別為0d 和0D ，0D 和0d 比值大于5：1以上，主要敏感距離小的一側(cè)形成的電容量，可忽略距離大的一側(cè)的電容量。形成的電容共分為兩組：差動(dòng)檢測(cè)電容和差動(dòng)加力電容。 圖2.6 定齒偏置配置梳齒式電容加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖兩側(cè)的形定齒1S 、2S 為左右對(duì)稱的檢測(cè)齒，構(gòu)成檢測(cè)電極，分別與動(dòng)齒形成2s n 對(duì)差動(dòng)檢測(cè)電容，如圖2.7所示。L 型定齒1F 、2F 為左右對(duì)稱的加力齒，構(gòu)成加力電極，與動(dòng)齒形成2f n 對(duì)差動(dòng)加力電容。所有動(dòng)齒定齒共同等效為1對(duì)差動(dòng)檢測(cè)電容1s C 與2s C 和一對(duì)差動(dòng)加力電容1f C 與2f C 。 圖2.7 差動(dòng)電容

38、簡(jiǎn)化示意圖2.3.3 體硅加工定齒偏置結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)由上述敘述，綜合起來(lái)考慮，定齒偏置結(jié)構(gòu)在版面利用和加工工藝上有很多長(zhǎng)處，明顯優(yōu)于定齒均置結(jié)構(gòu)。下面表2.1是兩種結(jié)構(gòu)的比較。表2.1 定齒均置與偏置結(jié)構(gòu)的比較 2.4 電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)梁的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)梁在微機(jī)械加速度計(jì)的設(shè)計(jì)中是十分關(guān)鍵的一個(gè)部分，其參數(shù)與儀表的分辨率、量程、橫向靈敏度等指標(biāo)均有密切關(guān)系，稱為微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。微機(jī)械電容式加速度計(jì)常用的梁結(jié)構(gòu)主要有懸臂梁、雙端固定梁、L 形梁、魚(yú)鉤梁、蛇形梁及斜置梁等。2.4.1 各式微結(jié)構(gòu)梁采取何種形式的梁以及多大尺寸的梁，是需要進(jìn)行優(yōu)化選擇和設(shè)計(jì)的。其設(shè)計(jì)首先要在達(dá)到目標(biāo)剛度的前提下，應(yīng)使

39、梁的長(zhǎng)度最小，厚度最大，從而具有較高的強(qiáng)度；第二要滿足同向性原則，即需要結(jié)構(gòu)梁在敏感方向具有較軟的剛度，而除了敏感方向外其它方向上的剛度最大，交叉了靈敏度要盡量減小，從而具有較強(qiáng)的抗干擾能力，減小其它方向?qū)γ舾行盘?hào)的干擾。最后，需要二階及二階以上模態(tài)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于檢測(cè)模態(tài)的頻率值。常見(jiàn)微結(jié)構(gòu)梁的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.8所示。 圖2.8 常見(jiàn)類型的粱結(jié)構(gòu)圖中自左向右、從上到下分別是（a ）懸臂梁、（b ）雙端固支梁、（c ）折疊梁、（d ）L 型梁1、（e ）L 型梁2、（f ）魚(yú)鉤梁、（g ）蛇形梁、（h ）斜置梁。當(dāng)各種微結(jié)構(gòu)梁參數(shù)基本相同的情況下，比較幾種微梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮強(qiáng)度和制造工藝等條件，

40、我們可以得出各種梁結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)。具體見(jiàn)表2.2 。表2.2 常見(jiàn)微結(jié)構(gòu)梁性能特點(diǎn)比較 通過(guò)比較我們看出，折疊梁的綜合性能較好。折疊梁還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自身具有應(yīng)力釋放作用，能抵抗加工過(guò)程及其它熱變化引起的膨脹變形，剛度、模態(tài)頻率易調(diào)節(jié)等很多優(yōu)點(diǎn)。并且另外一個(gè)原因是折疊梁結(jié)構(gòu)在很大的變形范圍內(nèi)，位移與作用力都保持線性關(guān)系。當(dāng)折疊梁內(nèi)外兩臂長(zhǎng)不同時(shí)，在應(yīng)力作用下梁易彎曲。在保證梁剛度不變的情況下，把兩臂不等長(zhǎng)的折疊梁變?yōu)榈缺坶L(zhǎng)的折疊梁，可以減小整個(gè)折疊梁尺寸。 2.4.2 折疊梁剛度計(jì)算在比較選擇了折疊梁作為設(shè)計(jì)選取方案，我們有必要對(duì)梁的剛度有一定的認(rèn)識(shí)。我們不妨用折疊梁和雙端固定梁作比，進(jìn)一步定

41、量的分析我們選擇折疊梁的好處。（1）雙端固定梁剛度的計(jì)算雙端固定梁的微結(jié)構(gòu)示意圖在前文已表述。由對(duì)稱性可知，只需要分析一側(cè)的梁就可以了。圖2.9即為敏感質(zhì)量一側(cè)梁的受力分析示意圖。設(shè)A B 梁長(zhǎng)為2l ，寬為b ，厚為h ，中心點(diǎn)C 受力為P 。由于梁A B 受力情況關(guān)于C 點(diǎn)對(duì)稱，所以之需要分析A C 就可以了，A C 段的受力分析如圖2.10所示。 圖2.9 雙端固定梁的一側(cè)受力示意圖 圖2.10 AC段受力分析和相應(yīng)力矩圖由力學(xué)知識(shí)可以解得，AC 段梁各截面的彎矩與沿X 軸方向的變形為：2231( ,211( ( 4111( (212AA A M X MPX X M X PX EJ X

42、M XPX EJ =-=-=- (2-2其中，J 對(duì)Z 軸的慣性矩：3/12J b h =由邊界條件及點(diǎn)變形條件(00, 0C =解得：2111(0( 0, , 44A AM l P l ME JP l=-=1124C AM MP l P l=-=-2331111( (21224A X M XP X P XE JE J=-=(2-3即C 點(diǎn)位移為：31( 24PlX EJEJ=(2-4）所以雙端固支梁（單側(cè)）Y 方向的剛度為：324E J k l=(2-5由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，雙端固支梁相當(dāng)于兩個(gè)單側(cè)Y 方向的剛度的并聯(lián)，由此可以求得檢測(cè)方向（Y 方向）的等效剛度為：3482Y E J K k l=(

43、2-6(2 折疊梁檢測(cè)方向的剛度采用等臂長(zhǎng)的折疊梁結(jié)構(gòu)，敏感質(zhì)量?jī)啥烁饔沙叽绱笮∫粯拥恼郫B梁支撐，取其中一端，受力分析如圖2.11所示。 圖2.11 （a ）（b ）分別是等臂長(zhǎng)的折疊梁結(jié)構(gòu)和受力分析示意圖采用等臂長(zhǎng)的折疊梁結(jié)構(gòu)，敏感質(zhì)量?jī)啥烁饔沙叽绱笮∫粯拥恼郫B梁支撐，取其中一端，受力分析見(jiàn)圖2.11 。設(shè)梁長(zhǎng)' ' ' ' , , AB CD l A B C D l =寬為b ，厚為h 。折疊部分' AA 和' DD 影響。由式（2-6）可知，雙端固支梁A D 和' ' A D 的剛度為：此時(shí)，折疊梁相當(dāng)于兩個(gè)雙端固定直梁A

44、D 和' ' A D 的串聯(lián)。所以折疊梁檢測(cè)方向（Y 方向）的剛度為：（2-8） ''' '33333121212AD A D YAD A D k k EJ E b h Eb h K k k lll=+''324A D A D E J k k l=由圖2.11可以看出，該加速度計(jì)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩個(gè)折疊梁的并聯(lián)，所以可以求得折疊梁Y 方向的等效總剛度為：（2-9）由此可見(jiàn)，相同情況下，折疊梁與雙端固支梁在檢測(cè)方向的剛度之比為1：2 。所以折疊梁性能優(yōu)于雙端固支梁。通過(guò)上述分析，電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選取體硅加工工藝，選擇折疊梁作為

45、承載梁，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，設(shè)計(jì)出定齒偏置加速度計(jì)。333242m Y EJ Eb h k K ll=3 加速度計(jì)主要失效模式和失效機(jī)理在了解了關(guān)于加速度計(jì)的相關(guān)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)知識(shí)，結(jié)合實(shí)際制造工藝和實(shí)現(xiàn)可能性，我們有必要對(duì)加速度計(jì)的一些失效模式和相應(yīng)的實(shí)效機(jī)理做一些必要理解。3.1 表面粘附表面粘附是造成加速度計(jì)實(shí)效的主要模式，表現(xiàn)為加速度計(jì)輸出飽和，打開(kāi)表頭發(fā)現(xiàn)梳齒發(fā)生表面相接觸，而造成短路。示意圖如3.1，下面分析實(shí)效原因。 圖3.1 加速度計(jì)管芯發(fā)生粘附3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷有資料表明，在所有可靠性工程中，由設(shè)計(jì)造成的失效占到總數(shù)的60%以上，MEMS 加速度計(jì)也存在這樣的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷包括

46、止擋設(shè)計(jì)缺陷、梁的設(shè)計(jì)缺陷、齒的設(shè)計(jì)缺陷等。這是由于止擋結(jié)構(gòu)是加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)保護(hù)裝置，它可以阻止加速度計(jì)結(jié)構(gòu)在外界輸入超過(guò)量程加速度或大的沖擊時(shí)發(fā)生粘附，而梁式可動(dòng)的硅結(jié)構(gòu)，又可作為可動(dòng)硅結(jié)構(gòu)的承載結(jié)構(gòu)，它不僅決定加速度計(jì)量程的大小，還影響到加速度計(jì)分辨率的高低，同時(shí)在設(shè)計(jì)所允許量程內(nèi)有一定得冗余才能有效避免粘附而造成加速度計(jì)的整體失效。加速度計(jì)齒是加速度計(jì)的加力和檢測(cè)部件，通過(guò)改變兩組構(gòu)成平板電容的間距或改變兩組相同梳齒結(jié)構(gòu)中齒的交疊面積而改變電容大小，同時(shí)在動(dòng)齒和靜齒之間有一定的偏置電壓來(lái)檢測(cè)電容的改變，當(dāng)環(huán)境應(yīng)力影響時(shí)，在靜電力的作用下極易發(fā)生粘附，導(dǎo)致加速度計(jì)失效。3.1.2 機(jī)械沖擊

47、、振動(dòng)由于加速度計(jì)的響應(yīng)帶寬約為300Hz 到1kHz ，在加速度計(jì)工作時(shí)受到機(jī)械沖擊或機(jī)械振動(dòng)時(shí)，當(dāng)沖擊的頻率和幅度超過(guò)加速度計(jì)的響應(yīng)帶寬時(shí)容易發(fā)生粘附失效。3.1.3 水汽、潮熱加速度計(jì)在水汽含量大的工作環(huán)境下工作會(huì)明顯引起分布電容、電阻阻值等電路參數(shù)的變化，造成粘附，如果水汽長(zhǎng)期腐蝕電路板，易造成電路短路、斷路。3.1.4 靜電靜電是對(duì)加速度計(jì)結(jié)構(gòu)和電路的破壞因素，由于MEMS 加速度計(jì)特征尺度在微米量級(jí)，從而產(chǎn)生“尺度效應(yīng)”，使表面力和靜電力變得很重要，有時(shí)甚至將成為主導(dǎo)因素，電荷產(chǎn)生靜電力使微型活動(dòng)部件與固定部分暫時(shí)粘附在一起，產(chǎn)生“微焊接”效應(yīng)，甚至?xí)龤ЫY(jié)構(gòu)的介質(zhì)材料，可以在工藝

48、中采用加隔離層、電路保護(hù)的辦法，來(lái)避免造成這種失效。3.2 結(jié)構(gòu)斷裂結(jié)構(gòu)斷裂是一種致命的失效模式，會(huì)造成加速度計(jì)的徹底失效。結(jié)構(gòu)斷裂是由于機(jī)械預(yù)應(yīng)力過(guò)大或者環(huán)境應(yīng)力影響而造成的，即在加速度計(jì)受到大的沖擊或溫度劇烈沖擊時(shí)，通常在結(jié)構(gòu)梁和梳齒處發(fā)生斷裂，表頭輸出隨加速度的變化而呈現(xiàn)非線性或輸出飽和。示意圖如圖3.2 。結(jié)構(gòu)斷裂是由于結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力超過(guò)斷裂強(qiáng)度所造成的均一物質(zhì)斷裂和分離，和應(yīng)力、剪切應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量、斷裂強(qiáng)度有關(guān)。在性能保證的前提下，作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免容易引起應(yīng)力過(guò)度集中的結(jié)構(gòu)形狀，如加速度計(jì)回型梁的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)加應(yīng)力釋放孔、應(yīng)力集中部分作結(jié)構(gòu)保護(hù)等。 圖3.2 表頭結(jié)構(gòu)斷裂 3

49、.3 分層失效加速度計(jì)結(jié)構(gòu)是通過(guò)硅-玻璃鍵合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在玻璃上作金層引出連接關(guān)系，如果硅和玻璃鍵合強(qiáng)度不夠或熱膨脹系數(shù)失配，同時(shí)金硅接觸有一部分電阻隨著環(huán)境應(yīng)力的變化而造成偏值漂移，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成層間界面的粘附鍵斷裂，造成層和層分離的現(xiàn)象，如圖3.3所示，使加速度計(jì)電路連接關(guān)系造成開(kāi)路失效。 圖3.3 加速度計(jì)電極分層失效圖3.4 輻射失效輻射誘生的靜電電荷會(huì)暫時(shí)破壞力平衡，引起偏值漂移，強(qiáng)輻射極易使電路中未經(jīng)加固的有源器件因擊穿發(fā)生損壞，導(dǎo)致傳感器的徹底失效。4 硅-玻璃鍵合加速度傳感器的工藝過(guò)程下面將結(jié)合一種基于MEMS 硅微加速度傳感器，介紹硅-玻璃鍵合式的一些工藝過(guò)程。在此之前，將工藝中

50、涉及的一些工藝步驟名詞作一些簡(jiǎn)單介紹。4.1 工藝相關(guān)在一個(gè)典型的硅微加速度傳感器中涉及到很多工藝步驟，諸如等離子刻蝕、濺射等，這些在集成電路工藝常見(jiàn)的方法在MEMS 工藝中有相當(dāng)?shù)募嫒菪?，這種兼容性也是我們考慮一個(gè)MEMS 設(shè)計(jì)方案是否可行和制作難度及經(jīng)濟(jì)成本問(wèn)題。傳統(tǒng)的制造業(yè)依賴大量的關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備和相關(guān)的工藝，其機(jī)械 方法以日本為代表，日本研究MEMS 的重點(diǎn)是超精密機(jī)械加工，它更多的是傳統(tǒng)機(jī)械加工的微型化，這種加工方法利用大機(jī)器制造微機(jī)器，可以用于加工一些在特殊場(chǎng)合應(yīng)用的微機(jī)械裝置，例如微型機(jī)械手、微型工作臺(tái)等。隨著集成電路的發(fā)展，將硅片腐蝕工藝和集成電路工藝結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生了硅微機(jī)械加工

51、技術(shù)。利用微機(jī)械加工技術(shù)得到的MEMS 器件種類很多。還有一種工藝就是采用LIGA 技術(shù)。它是通過(guò)電鑄成形和鑄塑形成三維微結(jié)構(gòu)器件，獲得的微結(jié)構(gòu)具有較大的深寬比和精細(xì)的結(jié)構(gòu)，側(cè)壁陡峭、表面平整，微結(jié)構(gòu)的厚度為幾百乃至上千微米。該技術(shù)擴(kuò)展了微機(jī)械加工材料，用LIGA 技術(shù)可以加工有機(jī)高分子材料、各種金屬和陶瓷，并且可以利用微復(fù)制工藝進(jìn)行微器件的大批量生產(chǎn)。但該技術(shù)需要昂貴的同步輻射光源和特制的LIGA 掩膜板。由于硅基加工技術(shù)與傳統(tǒng)IC 工藝兼容，因而可以實(shí)現(xiàn)微機(jī)械和微電子的系統(tǒng)集成，更適合批量生產(chǎn)，成為目前MEMS 的主流技術(shù)。MMES 的飛速發(fā)展是與其相關(guān)的制造加工技術(shù)的進(jìn)展分不開(kāi)的，除了包

52、含微電子集成電路工藝中的圖形制作技術(shù)、硅片氧化及薄膜淀積等技術(shù)外，要構(gòu)成MEMS 的各種特殊的結(jié)構(gòu)，還必須用一系列特殊的工藝技術(shù)，它們主要是：體微加工技術(shù)；表面微加工技術(shù)；高深寬比微加工技術(shù)；組裝與鍵合技術(shù)以及超精密加工技術(shù)等。下面分別介紹一下與MEMS 相關(guān)的制造加工技術(shù)。4.1.1 等離子刻蝕在硅片表面形成光刻膠圖形后，下一步通常是通過(guò)刻蝕工藝將該圖形轉(zhuǎn)換到光刻膠下邊的層上。等離子體刻蝕作為一種刻蝕方法，相對(duì)于傳統(tǒng)的濕法刻蝕具有幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，等離子體刻蝕可以容易地開(kāi)始與結(jié)束，而且等離子體對(duì)硅片上溫度的微小變化不是那么敏感。這兩點(diǎn)使等離子體刻蝕比濕法刻蝕更容易重復(fù)。等離子體刻蝕因?yàn)橛懈叩母?/p>

53、向異性，對(duì)于小的特征尺寸特別重要。相比液體溶劑，等離子體環(huán)境有少得多的顆粒，并產(chǎn)生少得多的化學(xué)廢液。例如高壓等離子體刻蝕，它利用的是高壓低功率等離子體，等離子體粒子的平均自由程遠(yuǎn)小于腔體尺寸。通過(guò)從一種惰性物中產(chǎn)生反應(yīng)粒子，這種工藝的等離子體被用來(lái)開(kāi)始并結(jié)束化學(xué)反應(yīng)或刻蝕。由于等離子體中的離子能量非常低，刻蝕工藝主要依靠等離子體的化學(xué)反應(yīng)作用。等離子體化學(xué)相當(dāng)復(fù)雜，這里就不做詳細(xì)論述。從簡(jiǎn)單的能量平衡論開(kāi)始，在這個(gè)模型中，當(dāng)產(chǎn)生氣體或高壓的液體或固體的化學(xué)反應(yīng)受到能量促進(jìn)時(shí)，刻蝕就會(huì)發(fā)生。應(yīng)用于刻蝕硅，基本思想是用硅-鹵鍵代替硅-硅鍵，從而產(chǎn)生揮發(fā)性的硅鹵化物。選擇合適的進(jìn)氣、腔體壓力和等離子

54、體功率，可以產(chǎn)生有利于刻蝕用的粒子的密度。在通常的等離子體中，大部分的粒子是不可反應(yīng)的氣體分子。4.1.2 濺射濺射是微電子制造中，不用蒸發(fā)而進(jìn)行金屬膜淀積得主要替代方法。濺射的臺(tái)階覆蓋比蒸發(fā)好，輻射缺陷遠(yuǎn)少于電子束蒸發(fā)，在制作復(fù)合材料膜和合金時(shí)性能更好，這些優(yōu)點(diǎn)使得濺射金屬淀積技術(shù)成為大多數(shù)硅基工藝的最佳選擇。在簡(jiǎn)單的濺射系統(tǒng)中，真空腔中有一個(gè)平行板等離子體反應(yīng)器，非常類似于簡(jiǎn)單的反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)。對(duì)于濺射應(yīng)用，等離子體總歸要構(gòu)成能使高能離子轟擊到濺射靶上，濺射靶含有所要淀積的材料。濺射時(shí)，應(yīng)當(dāng)將靶材料，放置在具有最大離子流的電極上。為了收集盡可能多的出射原子，在簡(jiǎn)單濺射系統(tǒng)中，陰極與陽(yáng)極相

55、距很近，通常小于10cm 。用某種惰性氣體充入此腔體，腔內(nèi)氣體壓力維持在0.1Torr 左右，這使得平均自由程有幾百微米的量級(jí)。由于該工藝的物理特點(diǎn)，可用濺射淀積的金屬種類很多。在濺射元素金屬時(shí)，因?yàn)楹?jiǎn)單的直流濺射具有較大濺射速率，故優(yōu)先采用；濺射絕緣材料如SiO 2時(shí)，應(yīng)當(dāng)用RF 等離子體。下面的工藝步驟中就用到濺射的一種磁控濺射。4.2 工藝過(guò)程4.2.1 某種加速度傳感器原理硅微傳感器工藝技術(shù)是基于MEMS 技術(shù)，它符合MEMS 的標(biāo)準(zhǔn)工藝。在此選用一種為加速度傳感器作為分析模型，該電容式加速度傳感器是由質(zhì)量塊、硅膜片、懸梁、襯底、襯底電極和絕緣層構(gòu)成，質(zhì)量塊在硅膜片上，由四根懸梁固定在襯底上，硅膜片和襯底電極構(gòu)成電容器的兩極