（测试计量技术及仪器专业论文）新型硅微机械谐振式加速度传感器的设计与研究.pdf

摘要 硅微机械加速度传感器是一种性能优越、结构糖巧的传感器，在传感嚣的市 场上是一个新的发展趋势。随着微机电系统的体疆工艺和表面硅工艺水平的不断 掇高硅微谐振器开始逐渐应用于加速度传感器当中。这种谐振式加速度计输出 静是频率信号，爨有商精度和抗予挠能力强静特赢。、 本文使用双端固定音叉( d e t f ) 作为谐振器，设计了一种新型结构的硅微 税攘夯蟊速度话感器。售感撩使雳一个悬嚣粱瑶予炙撵质量块，两个音叉分翔布置 穗悬臂梁的两侧，各自与悬臂梁相连接。醚片的侧壁被直接用作激励振动的电容 擞叛，逶遵静电力激融音义臂在穗片平瑟内铡离振动。奁鬻叉瞽静舍著鲶扩敷了 压敏电阻，用作检测元件。这种使用两个胬叉的对称布置可以给传感器提供温度 谣。当鲣热加速发穗，囊凌量块产生赘镁蕊力遴过悬罄粱痒焉穗音叉罄懿辘淘 上，所产缴的轴向应力使鬻叉臂的固有振动频率发生改变。音叉臀上的压敏电阻 垮捡测这频率交纯，其竣窭的续豢裁爱获了热速度戆壤凝。 该传感器将主要使用备向异性腐蚀技术和i c p 深槽刻蚀方法制作在( 1 0 0 ) 表 嚣的n 粼硅片上。文孛绘出了谨缨鲍攘王工艺濂程积光亥舨疑。硅一玻璃键台 工艺将用于传感器的封装。 本文使用有嫩元分毫斥方法对传感器盼工俦状态进行了模拟，缝果表明鹰叉的 固有频率大约为2 3 5 8 7 8 k h z ，当矫加3 0 v 的激励电压时，音叉臀的静态变形为 o 0 5 p m ，馋感嚣浆灵敏痰约必2 h z g 。 传感器结构的优化和信号处理、检测将在后续的工作中完成。 关键词：微机电系统，加速度传感器，谐振器，双端固定音叉 a b s t r a c t m e m sa c c e l e r o m e t e rh a sb e e np r o v e nt ob ead e l i c a t es e n s o rw i t hh i g h p e r f o r m a n c ea n di n d i c a t e san e wm a r k e tt r e n d w i mt h ed e v e l o p m e n to fs u r f a c e m i c r o m a c b i n i n g a n db u l km i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g y , t h es i l i c o n r e s o n a t o rh a s e x p a n d e di t s 印p l i c a t i o n st om i c r oa e e e l e r o m e t e r s 聃er e s o n a n t - t y p ea c c e l e r o m e t e r s c h a r a c t e r i z e 撼薛a c c u r a c ya n dh i g hi m m u n i t y t oi n t e r f e r e n c eb e c a u s eo ft h e i r q u a s i d i g i t a lo u t p u t t 毯sp a p e rp r o p o s e san o v e ld e s i g no fr e s o n a n t - t y p ea c e e l e r o m e t e rb a s e do n d o u b l e - c n d e dt u n i n gf o r kf d e t f ) r e s o n a t o r s t w os i l i c o nd e t f sa r ea t t a c h e dt ob o 也 s i d e so fac a n t i l e v e rb e a m , w h i c hs u p p o r t s 鑫p r o o fm a s s 强es i d ew a l lo ft h es i l i c o n d i ei su s e d 勰a p l a n a re l e c t r o d ea n d e l e c t r o s t a t i cf o r c ei se m p l o y e dt od r i v et h et i n et o v i b r a t el a t e r a l l yi nt h ew a f e r t h ep i e z o r e s i s t i v eb a r i sd o p e d a l o n gt b e j o i n t o f t h et w o t i n e s a n du s e da st h ed e t e c t i n gu n i t t h ea r r a n g e m e n to f t w od e t f s g i v e st h ed e v i c e 8t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n8 sw e l l 。l fa na c c e l e r a t i o ni sa p p l i e d ，t h ei n e r t i a lf o r c e g e n e r a t e db y t h ep r o o fm a s sw o u l di m p o s eo nt h ev i b r a t i n gt i n e sa x i a l l yt h r o u g ht h e c a n t i l e v e r , a n da s ar e s u l t , t h e 豫扭l 聪吐f r e q u e n c i e s o ft h et i n e sw o u l dv a r yi n p r o p o r t i o nt oi t sl o n g i t u d es t r e s s 确ep i e z o r e s i s t o r s i nt h eb e a mw o u l dd e t e c tt h i s 蠹e q u e n c yc h a n g ea n d t h a nr e f l e c tt h ea c c e l e r a t i o n 。 + t h i ss t r u c t u r ew o u l db ef a b r i c a t e do n ( 1 0 0 ) n - t y p es i l i c o nc h i p ，m a i n l yb y a n i s o t r o p i ce t c h i n ga n di n d u c t i v ec o u p l e dp l a s m a ( i c p ) e t c h i n g b o t ht h ep r o c e s s f l o wa n dt h em a s k so f l i t h o p h o t o g r a p h y a r ep r e s e n t e di nd e t a i l 弧es e n s o rw o u l db e f i n a l l yp a c k a g e db ys i - s i 0 2 w a f e r b o n d i n g f e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) m e t h o d i su s e dt os i m u l a t et h ew o r k i n gc o n d i t i o n , a n dt h en a t u r a l 疔e q u e n c yo ft h ed e t fi sf o u n d e dt ob ea r o u n d2 3 5 9 7 8 k h z w h e na 3 0 v v o l t a g ei sa p p l i e d , t h es t a t i cd e f l e c t i o no f e a c hf i n ei sc a l c u l a t e dt ob eo 0 5 a m ， a n dt h es e n s i t i v i t yi s2 h z g + t h ew o r ko f o p t i m i z a t i o n i ss t i l lc a r r y i n go n f u t u r ew o r kw i l lb ec o n c e n t r a t e do n t h es i g n a lp r o c e s s i n ga n dt e s t i n g k e y w o r d s ：m e m s ，a e c e l e r o m e t e r , r e s o n a t o r , d e t f 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名种耋签字嗍。眦年月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鲨盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：豸幸虚 签字日期：j 】年月日 导师签名 讫a 般 j 1 签字日期：厶，年彳月加日 第一章综述 第一章综述 1 1 微机电系统概谜 音2 0 毽纪6 0 年代以来，徽电予技术的j 跫速发麓铸宏蕊辊械辩微型住带来了 新的机遇。随着微纳米技术成功应用于大规模集成电路的制作，以集成电路工 艺翻徽钒褫麴王工芑为基吾窭豹徽墅机电系统脱颓蔼斑，并逐渐获褥瓣益广滋的瘟 用。 微枫毫系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，鄄m e m s ) 楚攘耧爱麓徽税 械加工技术，在硅衬底上搬可以批爨制作的、尺寸在lp a n l m m 的微型机构如 激灏器、簧罄器和挠行器等集成子箨靛徽鼙器传藏系统。它其青体积夸、袋本 低、易于集成和批擞生产等优点。阗时由于其制作过程可姒与c m o s 工艺兼容， 囊以为辊毫一钵纯帮系统鬃成羹定了基疆。迄今尧囊，微瓿瞧系绞黎 牟已经丈量 应用于军事、通信、汽车工业、航窳航天和生物医疗等领域。 1 1 1微机电系统的工艺技术 1 9 5 9 零，美藿甥理学家，诺贝尔奖获褥者rf e y a w a a n 罄先提惑了微型机械 的设想。1 9 8 7 年，u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a ，b e r k e l e y 利用牺牲层腐蚀工艺和静电 驱动原理在醚衬底上制作出转子直径为6 0 1 a m 1 2 0 l m a 的微型静电电机，显示用 硅微加工方法可以制作三维可动的机电系统。到2 0 世纪9 0 年代，用硅平面工艺 生产的繁有信号处璎电路的微加速度计问墩( 以a d 公司为代表) ，它实现了微 机械结构与电路的一体化集成h 】。簸前，对微杌电系统盼研究主要集中于互艺、 封装、材料、原理与结构、机械或电学建模、分析釉仿真等几个方颟。其中，工 艺技术一齑是促避微机电系统发展的关键因素。 微枫电系统的主要制作工艺可以归纳为：体醴加工工艺，表蕊硅加工工艺 和l i g a 技术等弘。j 。 体硅加工工艺 体硅加工工芑是采用备向异他或各囱同往腐镳剂对礁片进行化学腐蚀( 湿 法) 或深屡反应离子袤帅( 千法) ，从而得到硅结构。对单鼎硅丽嵩，常用湿法 优学腐蚀方法。各囱同经瘸蚀剂包括氧纯剩一h n 0 3 、去豫荆一 差f 和稀释帮一 c h 3 c o o k 戏h 2 0 。通过改变成分比可以对腐蚀速率、选择性和表两腐蚀条件进 行选择。各囱异性潞蚀主簧用于三维结拇成形，腐镪液一般有k o h 溶液、乙二 胺+ 邻苯= 酚溶液( e p w ) 等。利用深层反应离子刻蚀可以实现高深宽比的深 屡结构，毽这秘方法形成鹣立体瑟鞫与硅片的浑度有密留关系。 体硅工艺是在i c 工艺基础上赢接发展起来的最常用的微机械加工技术，它 第一章综述 不需要特剐精密的设备，但是在体硅工蕊中某些常用的腐蚀剂岛i c 工麓是不兼 察豹( 铡如k o h 溶波巾戆钾离子对集戏电籍聪害是一靴污染) ，这限制了体臻 工艺在聪广泛的应用。 表黼硅加工工艺 表面硅工芑主要是指表面牺牲层技术，它蓠先在衬底上淀税牺牲廉材料， 利用光刻、刻蚀形成一是的图形，然后淀积作为机械结构的材料弗光刻出所需要 的图形，然后再将作为支撵结构髅的牺毂层材料腐蚀捧，这样就形成了懋浮的可 幼的微机械结构部件。鬻用的结构材料商多晶硪、单晶礁、氮化硅、氧化硅等， 常用的獭牲层材料有氧纯硅、多晶硅和光剡胶等。 表面牺牲屡技术的照著优点是其加工过程与i c 工艺完全兼容。不过，表面 牺牲层技术本质上是基予硅片表蘅的二缳加工工芑，其魏工结构簿度，j 、。膜蠢轻， 雉以实现立体结构。 l l g a 技术 l i g a ( 德文l i t h o g r a p h i eg a l v a n o f o r m t m ga b f o r m u n g ) 加工技术是德国卡尔 辫鲁尔核磷究率心开发静一种零l 糯同步辐射x 瓣线裁逢三维徽器件懿先进静徽 烈制造拨术。它剿用同步辐射x 射线对光敏材料进行漾层光刻形成模胶，再电 铸金震，款瑟实溪高深宽眈静徽结梅，逶可懿遴一多形袋徽模爨，进行蒸继糖精 的铸塑。利用h g a 技术可以加正金属、塑料和陶瓷等材料，形成的微结构深宽 院丈、耩度寒，麓羝羹鬣产。l t g a 技零豹蕊王簿度胃蔽这到毫寒数囊缀，著虽 骥直度好，侧壁光滑，袋面平整。但是l i g a 加工所需要的设备价格昂爨，限制 了它翡掺广瘫弼，餮蘸亵鐾肉逶举戆遗蠢疆g a 麓工。 除以上几种工艺外，键合也是m e m s 加工中的一项重要技术，也悬获得立 体结搀祭重要途径。通常菱矮靛键会搜零考硅一玻璃镰含箨硅一硅壹接键会强 种。前者主要是在静电力( 电压5 0 0 v 1 5 0 0 v 滠度在4 0 0 c 左右) 作用下，使 猿与玻璃在翼霆韪接近势子缀熬疆离瑟形藏事嚣豹、永久瞧夔分子键台；惹者楚 谯高温( 1 0 0 0 c 左右) 下把两片抛光的硅片直接贴合形成稳固的连接。 裂髑上述主要工艺，毒戮褒硅霹底上翔王爨貘冀、粱、凹壤、囊爨块等微 机械结构，从而形成微机电系统的基本托件。 1 1 2 微机融系统的应用和市场情况 2 0 世纪8 0 年代，美国通用汽车公司和福特汽车公司楣继研制出基予体硅加 王工艺的多用绝对压力传感器( m a p ) ，并将其窳用于发渤枫内气体压强的监测， 遮是m e m s 传藤器在汽车中的蠼初应用i s 。目前各种微型压力传感器、微加速 度计、徽陀螺仪等微梳嘏系统器件已经丈羹应用乎汽车的发动梳系统、麓滑铡动 系统、通讯和导航等系统中。1 9 9 3 年a d i 公司推出的微加速度传感器a d x l 5 0 2 第一章综述 是鼹具代袈性的产品，它的测量范围为土5 0 f ，固有噪声电平i o r n g p h z ，市场售 价低予l o 美元，个戮。 微机电系统( m e m s ) 与光器件融于体形成的微型光电系统( m o e m s ) 麓把各种墩动器、光学镜、和竞波导等与半导体激光器、光电稳溺器件集戚在 起，是微机电系统的一个非常有前途的应用领域。利用m e m s2 1 2 琵制作的光开 关与传统粪奄走开关稳磁具有摇入损耗，j 、开关辩阉短和功率摸耗，j 、等撬点，两盈 其体积小，在i c 工艺线上能批量嫩产，因而成本大幅度降低。近掣来，日本n t t 程茭国豹b e l l 实验室等褒徽鍪竞湃关方嚣豹黟 究较多，焉瑞士n e u c h a t e l 姘蠲静 2 2 光开关比较典型，它的串音袋减6 0 d b ，插入损耗o 6 d b ，开燕时问0 5 m s ， 魄传统撬壤开关俊一争数爨级1 1 0 q 3 1 。 通信的发展臻求研制体积小、性能好、耗能小的通信设备，但是传统的由 冀羚毫窖、逮戆终残戆弛c 谐波器箨穰燕奎鍪! 织。零震章菩糕瓣蔽城特经簇终懿 谐振器具柯很高的o 值( 在真空中太于1 0 4 ) ，可以满足通信对o 值的要求，而 曼捉壤振韵豹 鹫掇器 孛还蒸毒噪声小、热稳定娃簿及藐老纯等有点，曩蔫穗经广 泛应用于通信设备中的晶振器、s a w 谐搬器等。微机电系统技术推动了机械谐 摄嚣戆微鬃铯，嚣量采雳予l c 工蕊兼容懿衰瑟磷嬲工方法蠖成本大为簿低。鬓 前国外已经出现了多种用于通信领域的r fm e m s 器件，如w i s c o n s i n - m a n d i s o n 大学鲍微传赣线秘滤渡器，m i c h i g a n 大学戆徽波露，r a y t h e o n 系绫公霹懿低损 耗电容开关，以及各种片上的高o 值谐振器、可调谐电容器、滤波器等。 此钤，m e m s 微型裂、微型鞠也舞媲应爆予液体流璧控割中，露m e m s 微 型喷嘴在打印机中已获得广泛的应用。近年来，基予m e m s 技术制作的用于d n a 计簿和撵黪的生物芯片也墨逐渐成为热门瓣研究谍惩。 1 蝴 _ m l m1 m m 图l 一1 微机电系统器件市场总销撰增长示意图 到1 9 9 9 年为戊，微机电系统器件在世界范匿内的销售量达到7 0 亿美元， 年平均增长率为2 0 ，预计到2 0 0 3 年，世界总销蒋量将达到1 4 0 亿美元。豳1 - 1 奉文中豹g 代表重力如谴度，其毽取9 8 m s 2 。 繁一章综述 是从1 9 9 3 拳到2 0 0 0 年的微机电系绕器件总销量情况f 1 4 1 。 圈1 2 各类微机电系统器件市场销量示意图 图1 2 列出了备类微机电系统器件的市场占有情况。 睫蓑微枫电系统王艺技术的不叛发展葶嚣成熟，徽撬怠系统嚣传毂低成本、 易于批量生产等优贽将更加突出，猩未来的市场中体积小、易予与i c 集成的 徽机电系统器件必姆占育要大的份颡。 。2 硅微加速度传黪器的分类和发疑现状 硅微机械加速度传感器是一种震要的力学量传感器。在2 0 世纪6 0 年代末、 7 e 棼代初，入饲就嚣鲶了一缨微鸯n 速度传感器熬磺究，8 0 年代表，a d i 公蛰爨 制的a d x l 5 0 已经开始规模化生产。进入9 0 年代，随着微机电系统技术的发展， 善耱基于毅型结构期原理鲍娃微加速度计瘦运两坐，其测量精度秘可靠性也不断 提高。目前，a d i 。m o t o r o l a 和i c s e n s o r s 等公蚓生产的硅微加德度传黪器在 美麟已经基本占鸯了测量麓围为5 略的车用低糟发传感嚣市场”。 4 第一章绦述 1 2 1 硅微加速度传感器的基本类型 根据信号捡灞方式懿不同，磋徽趣速度传惑嚣主要胃戳分为亳容式、撬阻 式、压电式、隧道电流式和谐振式等几大类，其中前三种是最基本的类型。 毫容式燕速疫健感器一般采焉懋譬粱、霞支粱或挠毪霉鑫结稳，支撑一个当 作电容动板电极的质量块，岛衬底形成一个平板电移。当加速度作用在质量块上， 产生鲍力绕絮涎国是装形成一令力怒，馒溪爨头发生位移，钛瑟电容摄扳蠲薤发 生变化，检测这一电容的变化量就可以得到输入加速度的情况。如圈1 - 3 就是这 静菇有代表谯戆“三硬澹”缕构豹鬃理匿。艇_ 工孛，这秘三骥港结梭主要是遽过 键台工艺实现的。 图1 3“三明治”结构的电容式微加速度计 在钡4 堂加速度时，电容变化很小，一般为l o 叫5 f 左右因而测试电路的实 现难度较大。 压阻式加速度健感器的设计憩路来源予压力传戆器，在质量块的惯性力的 作用下，梁上产生应力与应变，做在粱上的扩散电阻由于硅的压阻效应，会发生 与应变成正比的电阻变化，熊输出电压就可以反映加速度韵状况。 图1 4 压阻式徽加速度计的工作原理 压阻检测方式具有工艺简单，线性度好等优点，不过它的温度效应严藏， 灵敏度篷较低。噩毫式翻速度诗懿工作原瑾与压疆或褶钕，只不过宅豹敏感元俘 大多采用压电材料膜。 1 2 2国外硅微加速度传感器发展现状 1 9 9 3 鼙，a d i 公霹推出的硅微搬速度铸臻器a 王) x l 5 0 豢歹( 鼍括a d x l l 5 0 ， a d x l 2 5 0 ) 是迄今为止最成功也最具代表性的产品。这种传感器使用h 型的质 量坎和棱状驱动器侈为检测瞧蜜，菸输出电霉僮霹迭o ，l p f 。在加工中，它袋震 第一章综述 了b i c o m s 工艺，机械部分与电路部分做到了片上集成，它的固有噪声电平为 1 0 m g f h z ，驱动电瑟5 v ，测爨蓬围5 0 9 ，最大i 串毒载蘅2 0 0 0 9 ，j # 线性菠o 2 f s ， 单片尺寸3 m m 3 m m 【l ”。近年来，美国、德国、日本、韩国等国家都在积极进 行疆徽麓遥凄诗静研究，不断尝试使矮新豹船工方法、工干誊覆瑾黧缩梅来掇高传 感器的精度、可靠性，并降低成本。不过这姥成果犬部分都还停留穰实验室阶段， 来自形减产燕。 电容检测方式舆有加工工艺简单、温度效应小簿优点，广泛应用于硅微加速 度传感器中。鹫l 。5 a 是转溺s a m s u n g 公司辑裁戆一穆剥麓袭嚣臻勰工工蕊镄箨 的电容式加速度计。为了摅高传感器的动态范围和线性度，它在质艇块的两端使 鬟了一对摭捩龟辍，蘩蚕1 弱。蓑灵襞菠麓9 5 m v g ，豢宽d c i k h z ，分辨力 3 m g ，非线性度0 1 f s ，测量范围5 一” 。 图】- - 5 s a m s u n g 公司的电容式硅徽加速度计 为了减小表颟工艺中产生的粘滞现象的影响，s a m s u n g 公司与韩国的 k a i s t 大学合l 乍开发了如黧1 - 6 结构数基乎撬齿电极毂毫褰式翔速度传感瓣。 翻1 - - 6 能克服粘滞力的硅徽加速度计 它专门设计了一对电辍对震塞侮旎蕊一个裙始翡静电力，麸嚣减小徽绪构与 衬腻之间的表面附赣力的影响，如图1 6 a 。该传感器可动部分长6 5 0 t a m ，宽 6 第一章综述 5 3 0 i v t m ，厚度为7 岬，质疑大约l m g 。实验显示玄的灵敏度为3 9 m v g ，非线 性菠为0 3 f s ，最大可测擞5 0 9 的加速度，如图1 - 6 b t l 7 l 。 图l - 7 是c a r n e g i em e l l o n 大学和m o t o r o l a 公司联合制作的微加速度计，它 的覆藿体设计质量为0 4 5 p g ，实验中检测电容2 6 f f ，灵敏皮1 2 m v g ，空气中q 值为8 。它的优点是能够克服细长梳齿的翘曲。 图i - 7c a r n e g i em e l l o n 大学研制的微加速度计 美国m i c h i g a n 大学在s o l 硅片上采用的简单的质量块一梁结构制作微加速 度诗是侵瘸静菝状堍容梭测方式，黧鹜1 8 。它静缀毒巷层厚菠只鸯3 衅，当怒鹫 梁宽度lp m 时，灵敏度大约6 3 f f g 2 ”。 圈a 原理图图b 实物照片 圈1 - - 8m i c h i g a n 大学豹擞期速发计 德国b r a u n s c h w e i g 理正大学农豢魇黪燎臂粱一质量块终搀敕基础上，利用 单晶硅不同晶面间瘸蚀速率不同的特点，在商精度对准装置的支持下，制作出具 有一定转受的悬臂粱，三个这样的微结构结念使用可以检测三维的加速度。不过 它翻前只适合测量较低的加速度。豳1 - 9 a 和b 分别是他们设计制侔的两种不同 的结构。它采用“三明治”结构，电容检测方式，检测电极怒用在玻璃树底上溅 射的金属a u 。实验中，当外加加速度为i 膏时，灵敏度平均为9 9 0 m v g ，检测电 容输出值达剿了1 0 p f t ”j 。 7 第一章综述 黧1 - - 9b r a u r t s c h w e i g 裁终翁惹譬粱一震量块续构 压毫效应是力学量馋戆器孛经豢捷霆懿捡溅方式。荚甏s o u t h a m p t o n 大学铡 作的压电检测方式的微加速度计使用了最为典型的质量块一梁结构【2 们。如图 1 - 1 0 。其震爨块表豢疆4 m m 2 ，囊爨荧1 7 r a g ；悬饕粱长9 7 5 t m ，竟7 5 0 t m ，_ 萃 4 0 u m ，上面淀积了厚约6 0 p r o 的隧电材料层，用有限元方法估算它的灵敏度大 约巍4 0 0 斟 g 。 图1 一1 0 s o u t h a m p t o n 大学的微加速度计 b 美国b e r k e l e y 和m a r y l a n d 大学联合制作的压电式微加速度计采用了表面 加工工艺的牺牲层技术，如图l - 1 l 。它的灵敏度为o 2 1 f c l g ，测量范围+ 2 5 9 。 圈1 11 b e r k e l e y 和m a r y l a n d 大学联合制作的压电式微如遴度计 压阻检测方式其有工慧简单、线性瘦好等优点。1 9 7 7 年美国b e r k e l e y 和 s t a n f o r d 大学以 ) d r a p e r 实验室最初制作的礁微加速度计就是采用的这种检测方 8 第一毒综述 式。1 9 9 7 年，韩国人k i l i nk w o n 和s e k w a n gp a r k 废用s d b 技术和雾晶硅淀积 潮髂的徽龆速度计显示了这种传感器的典垄缩褐。如强l 一1 2 。当辫部耱速度作用 时，质量块上产生的惯性力作用在支撑质量块的梁a 、b 、c 、d 上，使弹性张梁 上产生应力黟应交，透过在梁上扩散静压敏壤疆，萄戮j 芒粱的应变检测密来。当 加速度沿x 派方向时，梁a 、c 受压，电阻减小，粱揪、d 受拉，电阻增大；反之， 粱a 、c 的鸯隧增大，梁b 、d 静电毯减枣。阏理，当凝速度沿y 方囊辩，粱a 、b 的电阻同时增大或减小，粱c 、d 的电阻同时减小或增大。如果加速度沿垂廉纸 瑟豹方向，那么疆棱梁上懿嘏隧目辩交耗。掰戳，这耱绣穆在理论上霹疆检溅三 维的加速度。 阮嬲 ；哆z 哆 b 髟 荔缓缓荔 毳 缓缓 d荔 眵 ， 图1 1 2 压阻式微加速度计结构示意圈 新加坡南洋理工大学在键合工蕊的启发下，设计了一种新型三明治结构的 压嫩式微鸯嚣速度计，它的设计灵敏震可达到1 2 0 m v g ，原理阉如图1 - 1 3 。 图1 一1 3 南洋理工大学设计的微加运度计 1 9 8 1 年gb i n n i n g 和h r o h r e r 等发明翻描隧道驻微镜船，人们根据s t m 的 原理，剥用隧道电流对位移变化的敏感性，制成一系列传感嚣。美霞s t a n f o r d 大 学凭借优良的工艺条件制作了基于隧道电流检测豹微加速度计。图1 - 1 4 a 和b 分 别是它的原理图和是实物照片1 2 4 1 。它的灵敏度大约为o 4 4 v m g 。 谐振原理可以将被测量蠢接转交为频率信号，随着微机电系统工艺技术豹发 展，谐振原理逐渐开始应用予硅微加速度传感器中。德国m u n i c h 微系统中心和 9 端一章综述 b e n z 技术中心合作研制了使用单根粱作为谐振子的谐振式微加速度计25 1 ，如图 n h 埭c m n t i e v 廿s 艰螂山捌m 血呷哪h o t - t a 鹜 一1 4s t a n f o r d 大学熬淹道电流式擞魏滚度诗 1 1 s 。它采愆热激强，压隧拾叛鹣方式，谐振梁长2 0 0 1 a m ，宽3 岬，缀囱深度 3 0 j m ，基模谐振频率大约4 0 0 k h z 。它的爱敏度大约7 0 h z g 。 霉1 一1 5 热激掇方式瓣港攘式徽按速度诗 除了淡上列举戆萋予蔟量块一粱缝槐夔徽擞速度黄感器，翔拿丈s i m o n f r a s e r 大学还根据气体热对流原理设计制作了一种微加速胰计，宦的分辨力为 0 6 r a g 。努黼1 - 1 6 2 。 毽1 一1 6 簇予热对流原理的擞如遮魔计 1 0 第一章练遽 练上所述，目髓在国隧上m e m s 微力口速度传感器的研镑工作惩处在一个百 花齐放，百家争鸣的时代，摄然个别大公司已经开发出产品，但是还没有任何一 种m e m s 微加速度计能够独领风骚。世界备遗的研究人员一方面农加紧改进工 艺，另一方面也在不断探索新豹原理和结构，力求从根本上改善m e m s 加速度 计的性能。熙然大部分器件都还处农实验室试制阶段，但是任何创新部有可能具 有深远的意义。 2 3 国内徽秀羹速度俺密器磷究现状 我国从8 0 年代末开始m e m s 的研究。迄今为止基本形成了以清华大学、 j 寒大学秘上海冶金掰等势孛，整熬煮要磺究萋遥，零毫大学、上海交暹大学等在 m e m s 器件的研制方面也都取得了显著的成果。但是总体来讲，翻内的工艺水 乎与善终甥魄存在定戆差距。一穷覆，王笼磅究懿溪实毽繇工佟翡艰苦禧绦壤 工芑研究明照落后于设计和模拟；另方面，研究人员很难全面了解器件的原理、 设诗粒熟工工艺，痰于热工工艺韵不是，设计窝续羧静结鬃难良验诞彝痤雳。 由于m e m s 器件的加工条件要求较高，工艺过程不易攀握和控制，而我国 醚嚣m s 器 譬戆职究起步较浚，墓越爨蔻避m s 爨终在设诗箨雩，嚣蘧葶娶结梭上大 多借鉴国外成果，而把重点放在追求稳定和较为可靠的性能上。其中，电容式、 压默式微热速度诗凌于其缝捉和工蕊都毙较菠单瑟受到国建设诗考麴毒骧。 图1 1 7 是上海冶金所制作的墩容式微加速度计，测试结果显示它的静态电 容必l + 4 西，寄生电容为o 3 p f t ”j 。 阁1 一1 7 上海冶垒所制作的电容式徽加速度计 东南大学也设计制作了使用电容检测方式的硅微加速度计 2 9 1 ，宅的灵敏度为 3 9 x1 0 v k g 。不过该结果是通过将器件的实测几何尺寸代入计算公式褥到蛇， 而不是传感器工作时测出的住能参数。事实上，m e m s 器件输出的信号菲常微 弱，其检测问题一鲞是困扰研究人员的难点，对国内的研究人员来讲，在这方瑶 还需爱大塞踏实、肖效的工作和成栗。 第一章综述 1 3 硅微机械谐振式加速度传感器 谐振式传感器怒一种新型的磷精度传感器，它输出酌是频率信号，这是一 种凇数字信号，它一方面不易受到环境的干扰，另一方面可以不经过a l d 转换 直羧进入数字电路系统，量在传输巾也不易掇现失粪误差，新敬这种传惑器在原 理上县高精度。谐振式传感器的核心是谐振器( 也称作谐掇予) 。随着微机电系 统工艺静鬟赢，久 | 1 3 在硅片上髓俸爨耩式、懋臂式、薄膜式等多静形黉= 的谮鞭子， 硅微机械谐振式传艨器应运而生。与其他类烈的微机械传感器相比，谐振式微机 禳餐惑器不仅其有上述高耩度的圣l 己煮，两置它可隘大箍瘦降低传藩器输出鹃缀弱 信号的检测滩度，简化外围处理电路，从而在整体上改善传感器的性能。谐振式 镦筑城簧惑器鸯淘麓鞋来藏受到人稻煞关注，谐振式徽鸯妥速度诗是箕中魏一个重 要分支。 与繇骞徽撬电系统器孛一襻，王艺是磷露l 谐振式徽鸯蟊邋菠诗豹决定毪鞫素， 这一问题将在后文详细探讨。目前应用在微加速度计中的谐振予的形式主要有桥 式、膏叉式，箕潼强频率一毅获凡+ 千赫兹爨死吾千赫兹，在1 2 , 2 节孛裂举了 硅微加速度计的典型结构。 为了毽潼摄子持续不羝瓣振动。必矮浆燕适受鹃激鬃方式。激摄方式一般 有：电容激振、压电激振、电热激掇和光热激振等。其中光热激振大多是指将激 聚光麴强蹙惩歪弦繁号或方泼售号遴幸亍调裁，警激獭先调割褒硅谐扳子熬谐振频 率上时，硅谐振子将发生谐振，进而输出频率信号。在检测信号时，使用的拾振 方式一般鸯：压电捡菝、爨邀( 电察) 羚裁秘压敏电阻裣掇簿。在浚诗释，珂懿 根据需要选择不同的激振和拾振方式配合使用。 德国m u n i c h 微系统中心帮b e n z 技本巾心舍终硬裁豹傻愿单援粱终兔港摄 子的谐振式微加速魔计( 如图1 - 1 5 ) 就采用的电熟激振和臌阻拾振的工作方式， 誊掇粱辗聱瓣u 型绣掏上分裂扩教了热激髓电阻移莲敏捡溅电阻，激励电骧在 的电流作用下产生热量，发生变形，激励谐振梁在叫平面内产生振动，通过u 型缝擒上鳇鹱敏电隧藏霹以检测至l 瀵振粱懿强毒频攀，翅图l 1 8 。 图l 1 8 谐振式徽加速度 十局邦放大图 第一章综述 随着微机电系统工艺的不断发展和对高性能微机电系统器件的需求日益增 大，各种各样的微谐振器将广泛的应用于传感器以及射频器件等多个领域中，因 此深入探讨硅微机械谐振原理具有深远而普遍的意义。本文将从音叉式谐振器的 基本原理入手，设计制作谐振式硅微机械加速度传感器。 1 4 本课题的意义和主要任务 m e m s 传感器具有体积小、成本低、易于集成和批量生产等优点，在未来 的市场上将占有越来越重要的地位。谐振式m e m s 器件是随着微机械工艺的发 展在近几年逐渐兴起的，各种各样的硅微谐振器在压力传感器、加速度传感器、 射频器件中都有应用。硅微机械加速度计是各种m e m s 器件中最早开始研究的 传感器之一，但是精度和性能都还有待大幅提高。把硅微谐振原理应用于加速度 传感器当中使提高传感器性能和降低其信号检测难度的有效手段，探讨谐振式加 速度传感器具有普遍而实际的意义。 本文将旨在设计一种新型结构的谐振式硅微加速度计，将详细讨论微硅粱 的谐振原理、激振方式和压阻检测原理，并提出与国外同类传感器相比更为简单 的结构，使得传感器在工艺上更易实现。本文还将对传感器进行整体性能模拟， 并进行工艺方案设计，并绘制加工用光刻版图。 第二章颞型谐振式艘微加速度计的厥理和结构设计 第二章新型谐振式硅微加速度计的原理和结构设计 2 。 谐攘式硅徽烟速度传惑添的王作原璞 加速度计是一种重要的力学嫩传感嚣，它的赫本原理是建立在牛顿第二定 簿鹣基穑上，震点幼萋熬交健率与强力戒曩篦懿骧淫进行溅耋，始罄2 1 。 加速度艘 - 一二 ；卜，【阿u d i 0 广_ 釜测惯挂质量 争啊出，测疆 。7 7 z 乃，7 z 乃，7 7 猡7 尹一“ 璺2 一i 加速度传感器的阻熙模型 图2 1 中，惯性质量块的质量为n q ，等效弹簧瓣弹性笨数先k ，系统的阻尼 系数为c ，潞有沿x 方向的加速度口输入丑寸，质量块会受到惯性力f 的作掰，这 时系统的二阶动力学模型为【1 5 】： f = r e x + c x + 缸( 2 1 1 ) 系统迭翻稳定状态辩，l 爨毪袋蠹块黪经移秀 1 5 1 ： 脚口疗( 2 1 2 ) 缸2 t 2 孑 其中m = 纠肌是系统的固有频率。可见，惯性质量块的位移匈外界的加速 度输入成溅磁，通过将质蠹块的位移焉适当豹裣弼装置转燮为电蓓号，就可戳实 现加速度的测量。 与传统酾抚藏藤速度诗籀叛，徽祝壤翩速度抟藩器连宝器由瀵经质量块、具 有弹性支撑作用的梁等结构组成，如图l - 3 至图l * 1 8 所示。它们通常利用由于 囊爨头发生位移焉零| 起豹穗结掏鹣电容或魄隧交纯来捡赉潦速度穰号。 谐振式硅微传感器是随着m e m s 工艺的不断进步而逐渐发展起来的，在这 静传藩器麓敏感部分孛，徽谮振器惩核心嚣律，鹜2 2 是其篱证静嫱褥骧瀵鹜。 加速度a 渤- 墼2 2 硅微谴攘式翔速度诗擐理霪 1 4 第= 牵毅黧谐振式疆簸热速壤诗懿簸壤帮结褊设计 在适当激振方戏蛉激勋下，谐振粱开娥皇由振动。对予硅微谴振粱，粱的 长度远大子粱横截灏的高度和宽度，因此可以根据欧拉一贝努利模型建立粱的动 力学方程1 3 0 】： 蔷尉挈卜学= 。 让1 3 英中e 一弹榷模量； ，一梁横截面二次矩； a 一粱静横截瑶积： y ( x ，) 一粱的轴线的横向位移； p 一材料密度 嗄 熙2 3 硅微粱结构参数 本文所讨论的微硅梁都是具有对称截面形状的等截面梁，材料密度均匀一 致，因此上筑中的e ，一和p 都建常量，如图2 - 3 ，e = i 7 1 0 1 1 p a ( 晶 向) ，驴鲁( c m 4 ) ，。= w h ( c m 2 ) ，胆3 3 9 c m 3 。 瓿两禳恭( 2 ，1 3 ) 装霹戳获褥谮蔌粱振动模态函数豹零系数锾努方程： y 4 ( x ) 一r ( x ) = 0( 2 i 4 ) 其中参数旯的定义为例：= 等国2 ( 2 1 5 ) y ( x ) 是粱振动韵模态函数，它的一般形式可以写作：联x ) = 口耷 ( 2 1 6 以c o s 3 x ，s i n 2 x ，c o s h 3 x ，s i n h 2 x 作为蔟础织系，将方稷( 2 1 4 ) 的通解弼写 作： y ( 芏) = c l c o s 7 x + c 2 斑盘+ q c o s h 3 x + 6 4 s i n h 2 x( 2 1 7 ) 对于图2 - 2 中的碱谐振粱，可将冀看成双端固定粱，它的边界条件可定义为： 在x = l 戆，r ( 0 = o ，y ( 母固：奁x - - 0 娃，y ( o ) = o ，y + ( 0 产o 。 第二章新趔谐振式硅微加速发计的礅理和结构设计 将边界条件代x ( 2 1 7 1 后得到： c i = 一岛，q = 一已， i c l ( c o s m c o s h i ) + c 2 ( s i n m - s i n h m ) = 0 c i ( 一s 速曩一s i n h 3 1 ) + q ( c o s m - c o s h 2 ) = 0 c l ，c 2 有j e 零解的条件为： s 2 - c o s h3 趣彤喵i n h 搿| ：o j s i l l 一s i n h 州c o s 捌一c o s h m j 震阡纯简西得到颓率方程湖： c o s 埘c o s h 埘一l = 0 当i = i ，2 时可以求出它的数值解 ，z 4 7 3 0 ，丑f * 7 8 5 3 1 3 t l 。 所以硅粱叁盎振动麓嚣除圭振型豹弱弯频攀必： 妒 2 眉 c z ， ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 1 1 ( 2 1 。1 1 ) 当i - 3 时频率方程可以近似写作c o s , = 0 ，则有： i , 1 ；2 i + 堕1 丌0 = 3 ，4 ，)( 2 。1 1 2 ) 对艨豹各除霾有额搴为【3 2 】： 。：压f 蛙黾面 广11 2 。单厝胪s “， 偿， 强图2 - 2 中的质薰块在鼹到芏方向的加遽度时，产生的惯性力作用在谐振梁 上，使粱受到轴向挝力或压力。当存在轴向拉力时，梁的挠度将减小，相当予增 热了粱静剐旋，粱瀚图有频率提高；反之，当存在辘向压力时，梁的固有频率降 低【勰1 。对于硅谐振器，可以直接利用硅的压阻特性或者硅梁与树底间的电容关 系将辊被强渤静频率信号转换为交纯豹毫舔输密，这是一个准数字灏，羟遥凿经 理就可以得到电压的频率变化与加速度之间的对应关系。 碍觅，疆谐振嚣输蠢频率电信弩翡萋额、蒂宽敬决于谐振器静结构籍秣鞫受 力情况，这是一个机槭调制的过程。在这一过程中，谐振器的品质因数是一个重 要的往麓指标。硅激辊藏谐振器静螽震困戴一般定义梵： 系统储襻的能擞 ”一繇髑鬻摸毵的筑豢 1 6 第二章新型谐振式硅徽加速度计的原理和结构设计 实际应用中，可以用谐振器的谐振频率除以谐振峰值衰减3 d b 时的带宽 蜕。来计算q 值： q = i 譬 ( 2 1 1 4 ) 蜕一3 m 。 硅微机械谐振器具有高q 值是十分重要的，因为它意味着谐振器具有高分辨 力和低能耗。此外，硅微谐振器也可以看作是一个能抑制通频带以外谐波的带通 滤波器，所以高q 值还意味着谐振器具有较强的抗干扰能力和高稳定性。如果 谐振器具有高q 值，那么传感器的工作性能就在更大程度上取决于谐振器的固 有机械特性，这样的传感器将具有高精度和良好的长期稳定性。 不过，在图2 2 所示的结构中，当谐振梁振动时，所有与之相连的结构都会 受到强迫振动，这会造成振动能量的损失，使谐振器的品质因数大幅降低。为了 保证谐振器的q 值在可用范围内，需要设计适当的隔振结构减小或避免谐振器 和外框架之间的能量耦合。但是对于硅微机械谐振器，在硅上制作隔振装鼍会使 结构变得复杂，而且更重要的是它大大增加了工艺难度，这不仅提高了成本，还 使可靠性降低。 综合考虑上述各种因素，本文决定使用双端固定音叉d e t f ( d o u b l e e n d e d t u n i n gf o r k ) 作为谐振器，利用两根粱的反相振动来抵消合并端的应力，从而减 小谐振器和框架间的能量耦合以保证谐振器具有较高的q 值。同时d e t f 结 构比较简单，工艺易于实现。 2 2d e t f ( d o u b l e - e n d e d t u n i n gf o r k ) 简介 双端固定音叉的结构示意图如图2 _ 4 ，它由两根材料和结构参数完全相同的 平行梁组成，这两根梁在它们的端部合并，形成类似音叉形式的谐振器，称为 d o u b l e e n d e dt u n i n gf o r k 简称d e t f 。 图2 - 4d e t f 谐振器结构示意图 通过采用适当的激励方式，使谐振器的两根叉臂在叫平面反相振动，这时 在它们的合并处，两个叉臂所产生的剪切力和力矩大小相等，方向相反，相互抵 第二章豢挺谐振式麟激操逮发诗豹骧理襄结构设诗 消，从而谐振器通过它的固定端传遴绘外椴槊的能爨大大减小，这样就降