电容式微加速度传感器发展现状

本科毕业设计（论文）毕业设计说明书电容式微加速度传感器发展现状的研究作 者 :学 号：学院 (系 ): 信息与通信工程学院通信工程系专 业 : 通信工程指导教师： 评 阅 人： 20 年 6 月本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）任 务 书1毕业设计（论文）课题的任务和要求：1、学习了解电容式加速度传感器基本原理；2、查阅有关国内外电容式加速度传感器发展状况；3、查阅 15 篇以上文献，其中至少 5 篇外文资料；2毕业设计（论文）课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1、 查阅相关中英文资料；2、翻译 1 篇英文资料；3、对所查阅的资料进行整理汇总；4、得出电容式微加速度传感器未来发展趋势及目前迫切需要解决的问题。本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计(论文) 、图纸、实物样品等)：1、毕业论文一份；2、英文文献一份，相应的中文译文一份。4毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期 工 作 内 容20 年2 月 15 日 3 月 10 日3 月 11 日 4 月 20 日4 月 21 日 6 月 20 日6 月 20 日 6 月 21 日系统学习，查阅资料，作开题报告；英文资料翻译；撰写毕业论文；论文答辩。本科毕业设计（论文）学生所在系审查意见：系主任： 年 月 日本科毕业设计（论文）电容式微加速度传感器发展现状的研究摘要在高度发达的现代社会中，世界各国都将传感器技术列为尖端技术。现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。本文论述了电容式传感器的原理、分类、作用,并对电容式微加速度传感器的工作原理、结构和特点加以介绍,最后这类传感器的若干关键技术及将来的研究方向进行探讨。关键词：电容，传感器，微传感器本科毕业设计（论文）Research on the development condition of the capacitance acceleration sensorAbstractIn the flourishing and modern city, the technology of sensor is considered as the sophisticated technology all over the world. Because of the modern science and technology, acceleration sensor should be characteristic, for example, cheapness, predominant capability and easy to volume-produce. The sensors that are made with the tradition process method can not have these characteristics. So the sensors that are made with the new machine processing technology emerge as the times require. In this thesis, the principle, classification and effect of the capacitance sensor are presented. What is more, the work principle, frame and characteristic of the capacitance acceleration sensor are given in the thesis. Finally, the key technology and research direction of this kind of sensor is discussed.Key word: capacitance, sensor, micro sensor本科毕业设计（论文）目 录1 引言 .11.1 传感器技术发展背景及概述 .11.2 论文的主要内容 .22. 传感器 .32.1 传感器的概念、组成及分类 .32.1.1 传感器的组成 .32.1.2 传感器的分类 .42.2 传感器的作用 .52.3 传感器的发展方向 .63 电容式传感器 .93.1 电容式传感器的工作原理 .93.2 电容式传感器的类型 .93.2.1 变极距型电容传感器 .93.2.2 变面积型电容传感器 .103.2.3 变介电常数型电容传感器 .103.3 电容式传感器的特点 .113.3.1 电容式传感器的优点 .113.3.2 电容式传感器的缺点 .124 电容式微加速度传感器 .144.1 电容式微加速度传感器的特点 .144.2 开环式电容微加速度传感器 .144.2.1 开环立体硅工艺电容式微加速度传感器 .154.2.2 表面硅工艺电容式微加速度传感器 .174.2.3 单晶硅微加工加速度传感器 .194.2.4 具有静态响应能力的电容式加速度计 .224.2.5 基于 MEMS 工艺方式的电容式微加速度传感器 .244.3 闭环式电容微加速度传感器 .264.3.1 静电力平衡式硅微加速度传感器 .26本科毕业设计（论文）4.3.2 高分辨率电容式微加速度传感器 .294.3.3 机械加工硅电容式加速度传感器 .334.3.4 高灵敏度横向电容式硅微加速度计 .364.3.5 LIGA 工艺电容式微加速度传感器 .415 总结电容式微加速度传感器的关键技术及发展方向(结论) .465.1 频率响应特性的改善 .465.2 阻尼控制 .465.3 横向灵敏度的抑制 .475.4 温度漂移的抑制 .475.5 信号检测与处理电路 .475.6 封装 .485.7 对电容式微加速度传感器将来发展的展望 .49致 谢 .50参 考 文 献 .51本科毕业设计（论文）1 引言1.1 传感器技术发展背景及概述在高度发达的现代社会中，科学技术的突飞猛进和生产过程高度自动化已成为人所共知的必然趋势，而它们的共同要求是必须建立在不断发展与提高的信息工业基础上。人们只有从外界获取大量准确、可靠的信息后，经过一系列的科学分析、处理、加工与判断进而认识掌握自然界和科学技术中的各种现象与其相关的变化规律。工业生产过程的现代化面临的第一个问题是必须采用各种传感器来检测、监视和控制各种静态及动态参数，使设备或系统能正常运行并处于最佳状态，从而保证生产的高效率、高质量，所以进行信息采集的传感器技术是重要的基础。此后，才有后期的信息分析、处理、加工、控制等技术问题。当然，人们在早期是通过人体自身的感觉器官与外界保持接触，在一定程度上和一定范围内获得颇有意义与有限的重要信息，以维持与指导人类的正常生活和生产活动。例如人的耳朵能听到声波在音频段的声音，但却听不到声波中的超低频段或超高频段的声音；又如人类的眼睛能视辨出自然光或白光中的主要光波颜色，但却无法辨别出红外光或紫外光。因而，多年来人们不仅研究出具有人类感觉器官上所具有的感觉功能的检测元件 传感器，而且还千方百计地开发出了人类感觉器官所不具备的感觉功能的传感器。近几十年来快速发展的 IC 技术与电子计算机技术，为传感器的高速发展提供了非常良好与可靠的科学技术基础，同时也提出了更高的要求。世界各国都将传感器技术列为尖端技术。尤其是在经济发达的美、英、德、俄、日等国，对传感器及其技术的发展更是倍加重视。由于现代生活中的人们已经认识到现代信息技术的三大基础是信息的采集、传输和处理技术，即传感器技术、通信技术与计算机技术分别构成了信息技术系统的“感官” 、 “神经”和“大脑” ，而信息采集系统的最前端就是传感器。所以，人们常说：“征服了传感器，就等于征服了科学技术” 。美国在 20 世纪 80 年代就称其是传感器的时代；日本把十大技术之首定位于传感器；俄罗斯国防发展中的“军事航天”计划也把传感器技术列为重点；英、德、法等国也拨出专款来发展传感器技术；我国在“八五”规划中也把传感器技术列为重点发展技术和 21 世纪发展的高科技项目之一。鉴于我国对传感器的研究与发展较晚，基础较差，所以为了缩小差距，必须加速与促进我国传感器技术的发展。1.2 论文的主要内容在接下来本文首先介绍了传感器的原理、结构、分类、作用及发展方向，然后说明了电本科毕业设计（论文）容式传感器的结构原理和它的几种基本类型以及作用。在此基础上对电容式微加速度传感器的工作原理、结构和特点加以介绍,并对这类传感器的若干关键技术及研究方向进行探讨。2. 传感器传感器是探索与测量自然界各种参数的检测元件。有人曾通俗称其为“探头”(Probe)。英语中还有“Sensor”(敏感元件)与“Transducer”(传感器)之称，我国有“传感器” 本科毕业设计（论文）、 “换能器”之称。国际标准化组织ISO和日本工业标准“JIS-Z130”将传感器定义为“对应于被测量、能给出易于处理的输出信号的变换器” 。实际上，能够完成两种量(光、热、电、力学量、机械量等)之间的变换或转换关系都符合传感器的定义范围。从实际应用情况看，鉴于目前电学及其器件与系统的高度发展。往往是传感器配用测量电路以后的输出量都是电学量。所以在一些资料与参考书中，将电量作为输出量的传感器称为电子传感器。2.1 传感器的概念、组成及分类传感器是一种能将被测的非电量转换为各种易于测量的电信号的部件。一般由敏感元件、转换元件和测量电路组成。敏感元件相当于人的感觉器官,直接感受被测量并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量，如位移、应变等。转换元件也称传感元件，通常不直接感受被测量。而是将敏感元件输出的物理量转换成电量输出。测量电路是将转换元件输出的电参量转换成易于测量的电参量，如电压、电流或频率等。2.1.1 传感器的组成一般地说，传感器由两个基本元件组成：敏感元件、转换元件。相对于传感器的转换作用而言，常称敏感元件为预变换器。因为在完成非电量到电量的变换过程中，并非所有的非电量参数都能一次直接变换为电量。往往是先变换成一种易于变换成电量的非电量(如位移、应变等)；然后，通过适当的方法变换成电量。因而人们将能够完成预变换的器件称为敏感元件。在传感器中，建立在力学结构分析上的各种类型的弹性元件(如梁、板等)常称为敏感元件，并统称为弹性敏感元件。而转换元件是能将感觉到的被测非电量参数转换为电量的器件，如应变计、压电晶体、热电偶等。当然，转换元件是传感器的核心部分，它是利用各种物理、化学、生物效应等原理制成的。新的物理、化学、生物效应的发现，常被应用到新型传感器上，使其品种与功能日益增多，应用领域更加广阔。并不是所有的传感器都包括敏感元件与转换元件，有一部分传感器不需要预变换作用的敏感元件，例如热敏电阻、光电器件等。此外，还有一部分传感器在采用先进工艺技术和材料后，能使敏感元件与转换合为一体，例如通过半导体材料集成的 IC 技术，便能使其合为整体的固态压力传感器。2.1.2 传感器的分类本科毕业设计（论文）传感器的输出量 y 与输入量 x，的函数关系 y=f(x)称为变换函数，它表示传感器的输入输出特性。但传感器在实际测量应用中的输入量除了被测量 x 以外,还有被测对象与测量环境的许多干扰量，如温度、湿度、噪声、振动、电磁感应等。所以，传感器的变换函数是一元函数，仅是一种理想状态。严格地说，它应该是多元函数 y=f(x1 ,x2 ,xn )。为此，选用传感器时，传感器要近似满足 y=f(x)的单值对应关系，这就要求必须考虑到具有选择性能的转换元件和配用相应的传感器电路，使被测量以外的各种干扰量对传感器输出量的影响限制在最低的水平，才能保证传感器有足够的测量精度和良好的稳定性。转换元件的物理特性的内在规律或者它所依据的物理、化学、生物效应是设计传感器的理论基础。因而，按不同的方法对传感器进行分类，将有助于从总体上来认识和掌握传感器的原理、性能与应用。传感器可以按不同的方法进行分类。1.按被测量分类根据被测量可分为加速度传感器、速度传感器、位移传感器、压力传感器、负荷传感器、扭矩传感器、温度传感器等。这种分类方法对于用户与生产单位来说是一目了然的。但是，这种分类方法的弊病造成了传感器名目繁多，又把原理互不相同的同一用途的传感器归为一类这就很难找出各种传感器在转换原理上的共性与差异，难于建立起对传感器的基本概念，不利于掌握传感器的原理与性能的分析方法。2.按传感器的工作原理分类这种分类方法是以传感器的工作原理为依据的。可分为电阻应变式、压电式、电容式、涡流式、动圈式、电磁式，差动变压器式等。这种分类方法的优点是可以避免传感器的名目繁多，使传感器的划分类别较少，并有利于传感器专业工作者对传感器的工作原理与设计归纳性的分析研究，使设计与应用更具有合理性与灵活性。但其缺点是会使对传感器不够了解的用户感到使用不方便。3.按能量的传递方式分类从能量观点来看，所有的传感器可分为有源传感器与无源传感器两大类。前者可把传感器视为一台微型发电机，能将非电功率转换为电功率。它所配用的测量电路通常是信号放大器。所以，有源传感器是一种能量变换器，如压电式、热电式(热电偶)、电磁式、电动式等。在有源传感器中，有些传感器的能量转换是可逆的，另一些是不可逆的，并且有些有源传感器通常附有力学系统，只能用住接触式的测量中，如压电式加速度传感器。这类传感器不具本科毕业设计（论文）有直流响应，只能用于动态测量中，如温度传感器中的热电偶。它是利用两种不同金属的温差所产生的电势进行测量的。无源传感器不进行能量的转换，被测的非电量仅对传感器中的能量起着控制或调节的作用。所以，它必须具有辅助能源(电源)。例如电阻、电容、电感式传感器等。遥感技术中的微波、激光等传感器可以归结为此类。无源传感器本身并不是一个信号源，所以，它所配用的测量放大器与有源传感器不一样。通常是电桥电路或谐振电路，并且无源传感器具有直流响应，一般不配力学系统，因而适用于静态和动态测量，有时还可以用在非接触的测量场合。4.按输出信号的性质分类可分为模拟传感器与数字传感器两大类。模拟传感器要通过 AD 变换器才能应用电子计算机进行信号分析加工与处理；数字式传感器则直接可送到电子计算机进行处理。2.2 传感器的作用随着现代科学技术的迅猛发展和生产过程的高度自功化以及人类生活质量的不断提高，以传感器 微机为核心的现代测试与控制系统正在越来越广泛地应用于航天、 、航空、兵器、舰船、交通运输、电力、冶金、机械制造、动力机械、化工、轻工、生物医学工程等领域。可以说现代测试与控制系统已覆盖了国民经济中的第一、二、三产业的各个领域。日益发展的载人航天飞机、卫星以及现代化的多功能信息家用电器。无一不是使用传感器-微处理器或微机组成的测试与控制系统。以电阻应变式的负荷传感器组成的电子秤计量测试系统已是国内外公认的高精度，高可靠性的可室内外使用的标准计量器具，更是科学研究、工业生产自动化领域以及商品交换与流通领域的有力计量工具。所以说，测试技术与自动化控制技术的水平高低是衡量科学技术现代化的重要标志，而科学技术中很多新的发现与突破，或者说新兴交义边缘学科的发展，都离不开传感器。现代传感器起着工业控制眼睛的作用已成为人们的共识。在开环测试系统中，把二次仪表输出的连续变化的模拟电信号，经过模拟 /数字变换器(AD)转换成数字信号后，送入计算机完成信号的分析处理与加工，得到数字结果，以反映被测量对象的静态和动态物理属性的客观变化规律。若要得到形象的曲线等方式的描述结果，则可以再通过数字 模拟变换器(D/A)把电子计算机得到的数字结果转换为连续变化的模拟信号。若是闭环测试与控制系统，则还需要把计算机分析、处理、加工后的结果返回到执行机构。实现对被测量对象的参数调整与控制，以达到优化的生产或变化过程的自动调节与控制。本科毕业设计（论文）所以，现代的测量系统是综合多种科学技术实现测量、处理与控制的一体化的多功能、智能化的测试系统。随着传感器技术与微机技术以及网络信息技术的日益发展，将有力地推动与加速现代测试技术的发展。传感器相当于人的感觉器官，它能将各种非电量(如机械量、化学量、生物量及光学量等)转换成电量从而实现非电量的电测技术。在自动控制系统中，检测是实现自动控制的首要环节，没有对被控对象的精确检测，就不可能实现精确控制。如数控机床中的位移测量装置，是利用高精度位移传感器(光栅传感器或感应同步器)进行位移的测量，从而实现对零部件的精密加工。目前，传感器的应用已十分广泛，在航空、航天、国防、交通运输、化工、轻工等方面大量地使用各种各样的传感器。在工业生产中，由于传感器的大量使用，从而实现生产的自动化或半自动化，大大地减轻了工人的劳动强度，提高了产品的质量，降低了产品成本。在家用电器和医疗卫生方面，新颖的智能化产品不断涌现，使人们的生活越来越轻松舒适。总而言之，在信息技术不断发展的今天，传感器将会在信息的采集和处理过程中发挥出巨大的作用。2.3 传感器的发展方向1. 采用新技术、新材料传感器工作的基本原理是建立在人们不断探索与发展各种新的物理现象、化学效应和生物效应以及具有特殊物理、化学特性的功能材料的基础上的。因而，发现与应用新的现象、反应、材料与研制新颖的特性与功能的材料是现代传感器的重要基础，其意义也极为深远。例如日本夏普公司利用超导技术研制成功的高温超导磁传感器，该传感器在温度为 80K 时呈超导状态。可以说超导磁传感器的出现是传感器技术的重大突破。其灵敏度比霍尔器件的高，仅低于超导量子干涉器件，而其制造工艺远比超导量子干涉器件的简单，并可用于磁成像技术等领域。又如人造的陶瓷传感器材料可在高温环境中使用。弥补了半导体传感器材料难于承受高温的弊病。而另有不少有机材料的特殊功能特性，也和陶瓷材料一样，越来越受到高度重视。2. 微型化人们在工程、生活和医学领域中，越来越要求传感器的微型化。目前的微机械加工技术已获得高速发展，有氧化，光刻，扩散，沉积等传统的微电子技术，还发展了平面电子工艺技术、各向异性腐蚀、固相键合工艺和机械分断技术等新型微加工技术，都为新的微型传感本科毕业设计（论文）器的研制开发提供了良好的条件。例如采用平面电子工艺技术制作的快速响应的传感器，已用于检测 NH3和 H2S 的快速响应变化；又如利用各相异性腐蚀技术进行的高精度二三维加工，在细小的硅片上构成孔、沟、棱锥、半球等各种形状的微机械元件。为此，日本横河公司制作了高质量的全硅谐振式压力传感器，其品质因素 Q 值达到 5105稳定度为 l0-6再如固相键合工艺是将 2 个硅片直接键合在一起，不用中间粘接剂，也不加电场，只需要表面活化处理，在室温下 2 个热氧化硅片面对面接触经过一定温变退火，就可以使 2 个硅片键合在一起。美国诺瓦公司(Nova Corp)利用这种工艺研制的 0.40mm0.90mm0.15mm 微型压力传感器能够承受高达 400的温度环境。3. 集成化集成传感器是新型传感器重要的发展方向之一。随着微加工技术的不断提高，可将敏感元件、测量电路、放大器及温度补偿元件等集成在一个芯片上。它不仅具有体积小、重量轻、可靠性高、响应速度快、稳定等特点，而且便于批量生产，成本较低。在各种半导体材料中，以硅为基底材料的集成传感器发展最快。硅集成传感器是利用硅本身的物理效应与其平面技术相结合的产品。例如集成温度传感器、霍尔集成电路及扩散硅压力传感器等。采用集成传感器可简化电路设计、减小产品体积、便于安装调试、提高可靠性并降低成本因此，很多传感器都向集成方向发展，并已广泛应用于汽车、家用屯器、医疗卫生及航空航天技术中。4. 数字化、多功能化和智能化在今后的传感器技术发展中，数字化、多功能与智能化是传感器在信息社会中重要的发展持征。在航天工业的火箭、卫星运行及太空探测工作过程中，传感器数字化、多功能与智能化已是人所共知的基本要求。如日本丰田研究所开发的多离子传感器，芯片尺寸只有2.5mm0.5mm仅用一滴血液就能同时快速检测出 NA+、K 和 H+的浓度；又如美国霍尼威尔公司的 ST-3000 型智能传感器，它是一种带有信息处理功能的传感器，其芯片尺寸仅为3.0mm4.0mm0.2mm，它采用离子注入等半导体工艺在同一芯片上制作差压、静压和湿度等 3 种敏感元件，每一部分都有一个专用的 EPROM 用于存储其特性数据，可供三维补偿。这种智能传感器具有如下特点：有着比一般传感器高出 2 个数量级的量程，即可覆盖多台传感器的量程。高精度，可在万分之几到千分之一之间，并具有高稳定性。本科毕业设计（论文）有较高的温度与静压特性，在工作温度为-40110的静压为 021MPa。可远距离设定与调整量程、阻尼系数和选择检测单位。能自动诊断和自动选定合适量程，可用于压力波动的场合下测量。3 电容式传感器电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一，利用电容器的原理，将非电量转化为电容量进而实现非电量到电量的转化的器件 称为电容式传感器。电容式传感器已在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高。一种 250mm 量程的电容式位移传感器，精度可达 5m。电容式传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一种传感器，是很有发展前途的。3.1 电容式传感器的工作原理由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果不考虑其边缘效应，其电容为 dsC式中 两个极板间介质的介电常数；S 两个极板相对有效面积；d 两个极板间的距离。由上式可知，改变电容 C 的方法有三种，其一为改变介质的介电常数 ；其二为改变形成电容的有效面积 S；其三为改变两个极板间的距离 d。从而得到电参数的输出为电容值本科毕业设计（论文）的增量C，这就组成了电容式传感器。3.2 电容式传感器的类型根据上述原理，在应用中电容式传感器可以有三种基本类型 即变极距(或称变间隙)型、变面积型和变介电常数型。而它们的电极形状又有平板形、圆柱形和球平面形三种。图 3.1 变极距型电容传感器的结构原理图3.2.1变极距型电容传感器图 3.1 是变极距型电容传感器的结构原理图。图中 l、3 为固定极板；2 为可动极板，其位移是被测量变化而引起的。当可动极板向上移动d，图 3.1(a)、(b)结构的电容增量为 dCdSdC0式中 C 为极距为 d 时的初始电容值。上式说明c 与d 不是线性关系。但当d 双面抛光P +硅片，利用表面加工和部分体加工后处理技术集成加速度传感器如图4.13所示。首先，利用Si 3N4作掩膜，将要加工为传感器质量块的硅片表面区域进行浓硼扩散重掺杂，掺杂浓度大于10 20cm 3。，深度约为5m作为背面各向异性腐蚀的自停止层，用于各向异性腐蚀后形成阻尼孔部分区域不进行浓硼重掺杂，然后1150温度下退火30min，实现掺杂再分布并基本消除浓硼重掺杂层的残余应力。通过淀积、刻蚀Si 3N4及SiO 2,在需要绝缘的区域保留Si 3N4、SiO 2作为电介质层，然后LPCVD生长PSG 1.4m作为牺牲层，在PSG 上刻蚀dimple防止牺牲层释放时结构粘附，接着刻蚀掉质量块引线区及第二层多晶结构的支承区的PSG，在600的温度下LPCVD生长第一层多晶POLY1，然后在950温度下退火30min减小多晶硅的残余应变，刻蚀POLY1形成中间多晶硅固定电极及第二层多晶(POLY2)结构的支承。采用相似工艺步骤集成第二层多晶(POLY2)结构，通过刻蚀POLY2形成多晶硅可动上电极及多晶硅折叠梁。本科毕业设计（论文）（a）加速度传感器的结构立体简图(b)加速度传感器结构的质量块(c)加速度传感器结构的截面视图图 4.12 加速度传感器的结构示意图上述过程中有多次淀积、刻蚀Si 3N4及SiO 2的工艺步骤，选择第一次刻蚀Si 3N4及SiO 2时进行背面保护，然后背面刻蚀Si 3N4、SiO 2作为掩模，刻蚀衬底1m形成传感器的过载保护。其中最后一次刻蚀Si 3N4、SiO 2 时也进行背面保护。淀积SiO 2，刻蚀SiO 2形成引线孔，蒸A 1，刻出A 1引线、压焊块(图4.13中o与p之间)。刻蚀前面最后一次刻蚀Si 3N4、SiO 2时背面保护下来的Si 3N4、SiO 2：作为背面各向异性腐蚀的掩模，进行背面各向异性腐蚀，得到加速度传感器的质量块。最后利用光刻胶作掩模释放牺牲层，用去离子水将传感器清洗干净后，再用加热炉将传感器烘干 11。本科毕业设计（论文）图 4.13 加工工艺流程图4.3.3 机械加工硅电容式加速度传感器随着世界科学技术的发展，微型机电系统(MEMS)近几年在许多国家已有了较大的突破与发展，并已成功地应用于航空、航天、汽车、医学等诸多领域 12。作为MEMS的一个主要分支微型惯性器件也在发达国家迅速发展起来，由微型硅陀螺和微型硅加速度计组成的微惯性组合(M1Mu)也有望应用于航天、航空等军事领域。微型硅加速度计是一种新颖的加速度传感器，它采用硅单晶材料，采用微机械加工工艺实现 11。微型硅加速度传感器具有结构简单、体积小、功耗低、适合大批量生产、价格低廉等特点，因而在卫星上微重力的测量、微型惯性测量组合、简控弹的制导系统、汽车的安全系统、倾角测量、冲撞力测量等领域有广泛的应用前景。1. 工作原理本科毕业设计（论文）微硅加速度传感器的工作原理与一般常用的加速度传感器如液浮摆式加速度传感器、石英加速度传感器、金属挠性加速度传感器等的工作原理基本一样，都是通过一个质量摆敏感加速度，并转换为电信号，此信号经电子线路相敏放大后反馈到力矩器，力矩器产生反馈力矩与加速度产生的惯性力矩平衡。但各种加速度传感器有各自的特点，为完成某种功能所设计的元件结构也不相同。图 4.14 电容式微型硅加速度传感器原理电容式微型硅加速度传感器探头主要由硅摆片和极板组成。在硅摆片上，活动质量块通过悬臂梁与边框相连，活动质量块与极板组成一对差动电容器C 1和C 2 ，质量块作为电容器C1、C 2的公共活动极板，同时，电容器C 1、C 2也构成一对力矩器。电容器C 1、C 2的设计额定值为： 021dS式中是空腔内介质的介电常数；S是电容极板的有效面积；d是组成电容的两个极板的间距。当输入加速度n时，惯性力使活动极板产生一个偏角a，使电容量C 1、C 2发生变化，通过线路转换，把电容量C 1、C 2的变化转换成电信号，经相敏放大后把输出电压反馈到电容静电力矩器，电容力矩器产生的静电力矩与惯性力矩平衡，使活动质量块保持在原有的平衡位置，反馈电压的正负和大小可度量输人加速度的方向和大小。2. 传感器制作(1) 探头结构所研制的微硅加速度传感器探头采用玻璃-硅-玻璃三层结构，中间层摆片是硅材料，两侧极板采用硼硅玻璃，通过静电封接技术把硅摆片与玻璃极板键合在一起。硅摆片采用平面型结构，敏感加速度的质量块通过2个悬臂梁与框架相连。悬臂梁的对称性对交叉耦合干扰本科毕业设计（论文）影响很大，当沿梁方向有横向加速度a p作用时，就会对悬臂梁产生横向干扰力矩。从减小交叉耦合误差考虑，设计时可适当增加摆长，但主要依靠悬臂梁的对称设计，使悬臂梁的对称面与摆的对称面重合，以消除横向耦合误差。因此，设计悬臂梁在摆片同一侧对称排列，摆片尺寸为5.3mm6.6mm，其结构如图4.15所示。图 4.15 微硅加速度传感器探头(2) 制作过程摆片材料选用n型(1.00)重掺杂双面抛光硅片，片厚(20010)m，固定电极选用7740 # (Pyrex)玻璃，片厚600m。加速度传感器探头制作共有6张掩模版，采用半导体平面工艺、微机械加工(各向异性腐蚀)和静电封接技术完成。摆片制作采用4次双面光刻、3次各向异性腐蚀、薄膜淀积及金属化等工艺。第一次腐蚀用EPW(乙二胺+磷苯二酚+水)腐蚀液，腐蚀温度95 ，掩蔽膜为热生长SiO 2，留出悬臂梁的厚度约10m；第二次腐蚀(EPW)留出摆片的间隙约6m； 第三次腐蚀采用质量分数为35 的KOH溶液，腐蚀温度为80 ，掩蔽膜为低压化学气相淀积设备(LPEVD)淀积的，通过控制腐蚀时间，调整悬臂梁的厚度，完成摆片的制作。摆片和玻璃极板的电极引出通过蒸发Cr-Au形成。摆片是一个活动极板，它与玻璃极板上的固定电极组成差动电容器，因极间间隙很小，未工作时，摆片总是与某一个固定电极接触，为了保证电容的极间绝缘，需在硅摆片上淀积一定厚度的SiO 2、SiN 4等绝缘膜，也可在玻璃极板上制作微凸台对活动极板进行隔离。(3) 线路设计小型伺服反馈线路采用二次集成形式，它是微硅加速度传感器中的一个重要组成部分。整个线路从功能上可分为六部分：交流激励电源、CV转换、交流放大、相敏解调、有源校本科毕业设计（论文）正及输出回路，最后把输出电压反馈到探头的电容静电力矩器，探头与小型伺服电路组成一个机电反馈系统 13。该系统采用闭环工作方式，输出为电压模拟量。为了提高系统输出的线性度，在电容力矩器上设置了偏置电压，使力矩器输出特性的输人电压与输出力矩之问的二次非线性关系变为线性关系，同时在系统电路中设计了积分环节，使摆偏角和输人加速度之问的系统传递函数成为一阶无静差系统，从而减小了力矩器的非线性误差。4.3.4 高灵敏度横向电容式硅微加速度计加速度计是重要的惯性仪表之一，广泛应用于惯性导航与制导系统、高技术武器和安全气囊等领域。从20世纪90年代开始，微加速度计得到了迅速发展，出现了基于多种物理效应的加速度计，如电容式、隧道式电流型、压阻式、压电式和热对流式等。目前各国的微机械加速度计的研究方向主要集中于高分辨率、多轴集成和数字化输出三个方面。多轴集成的加速度计虽然只是发展的一个方向，但需要三个谐振频率相近且相互正交的工作模态来检测三个轴向的加速度计，由于三个模态间的相互干扰及较高的偏轴灵敏度问题，加之工艺复杂，所以限制了其实现。最简单的三轴加速度计可以将三个单轴加速度计相互正交地制作于同一硅衬底上。电容式硅微加速度计由于物理机制明确、敏感器件制作简单且不受温度影响，其研究最为透彻，是目前设计的主流。现在出现了一种新型横向电容式微加速度传感器，利用电容差值与极板正对面积的线性关系来检测加速度，以确保系统在大范围内的线性度。传感器采用梳齿差分形式的检测电容，可以较好地抑制外界干扰，降低偏轴灵敏度。此外，还利用MEMS静电驱动中的弹簧软化(spring softening) 现象，调整系统刚度到期望值。为了减小寄生电容对灵敏度的影响，采用溅射高K介质的方法来增大检测电容值，以提高加速度计的灵敏度 14。1. 工作原理分析(1) 横向敏感检测电容原理图4.16为传统平行板电容式加速度计和新型横向敏感加速度计的检测原理示意图。本科毕业设计（论文）(a)传统差动电容式微加速度计(b)新型横向敏感微加速度计图 4.16 传统平行板电容式加速度计和新型横向敏感加速度计的检测原理示意图传统差动电容式加速度计在外界加速度a作用下，惯性质量(电容可动极板)发生偏移，两电容C 1和C 2的极板间距d不再相等，因此两电容值(平行板电容公式为 ，A为极dCr0板间正对面积， 为电介质相对介电常数， 为真空电容率)产生了差异，利用检测电路测r0出差动电容的差值来检测加速度。平行板电容器的电容值大小与极板间距d成反比，因此只能在工作点附近做小信号线性化近似，不能保证系统具有很好的线性度。横向敏感加速度计不是利用极板间距的改变来检测，而是利用加速度作用下极板间正对面积A的改变来检测加速度。当没有外界加速度时，惯性质量块m上极板与两个电容下极板的正对面积相等，即C 1 =C2=C0；当存在如图4.16(b)所示的加速度a时，m沿敏感轴(设为Y轴)方向发生位移，两电容上极板与下极板正对面积不等，即C 1C 2构造的差动电容模型如图4.2所示。将幅值相等但位相相反，频率为 ，的两路载波信号(+V a 和-V a )加到两固定电极上，由惯性质量块构成的中间电极的输出信号为V out，根据电荷守恒，可推得 aout VCV)(21为C 1和C 2上下极板间正对面积A 0的变化量，则 aoutA0由上式可知，V out与 之间有很好的线性关系，因此可以保证大范围测量的线性度，这比以往通过改变间隙d来测量a的加速度计拥有更好的线性度。(2) 高K介质的作用电介质(即绝缘体)是用来隔离金属问的串扰；当两金属靠得足够近时，它们之间的电场本科毕业设计（论文）耦合，导致各自信号相互影响。电介质的性质决定了耦合程度的大小，用一个物理参数来表征这种耦合程度即介电常数( )或K 。所谓高K介质就是具有较高介电常数的电介质。0r根据上述分析，当检测电容与接口电路连接时，会在接口处引入一个寄生电容C p(如图4.17所示)，当存在此寄生电容时，输出电压将变为 aPout VCcV02图 4.17 输出电压电路图可见C p对输出电压的影响很大，当C p=2C0时将引入50的相对误差，影响加速度计的精度。此外，加速度计的分辨率除受到检测电路分辨率的影响外，还受标称电容C 0的影响，加大C 0可以提高分辨率。因此，通常在设计中都希望得到较大的检测电容，增大检测电容极板问的K值是一种有效的方法。在MEMS中常采用的绝缘材料Si 3N4和SiO 2 ，由于其相对介电常数较低(Si 3N4约为7，SiO 2约为3.94)，均不太适合用来做介质膜。所以在检测电容的固定极板上设计了一层0.25m的高 ( =25)溅射介质薄膜Ta 2O5，使检测电容极板间的介质为复合介r质(空气和介质薄膜Ta 2O5)，此时的电容表达式为drdhAC2120式中：d 1和d 2分别为溅射高K介质前后的空气膜厚度； 为Ta 2O5介电常数；h d为Ta 2O5的厚度r0.25m；空气膜厚度一般为13m 。(3) 结构设计及分析方法硅微加速度计的结构设计原理如图4.18所示。此加速度计采用两层多晶硅表面牺牲层工本科毕业设计（论文）艺制作：第一层多晶硅作检测电容的固定极板；第二层多晶硅(厚度为7m)作结构层，形成惯性质量块m。选择较大的质量块，可以降低机械热噪声，获得较高的精度。惯性质量块中部的左右两边为梳齿差分形式检测电容的上极板(可动电极)。刚度调节利用弹簧软化原理实现，其结构如图4.1