电容式微加速度传感器微机电

1、成 员：何 志 鹏 赵 威 葛 阳学 院：机械电子工程学院 日 期：2013年11月12日应用现状与发展趋势应用现状与发展趋势分类分类工作原理工作原理掩膜设计及工艺流程掩膜设计及工艺流程1234心得体会心得体会51、应用现状2、发展趋势发展趋势l 正朝着高度集成化、高精度、多功能、智能化的方向发展，在与其他微传感器结合成多功能的传感器组合后，其应用领域将进一步拓展。l 电容式微加速度传感器是一种廉价而性能优越、便于大批量生产的传感器，具有体积小、重量轻、精度高、功耗低、稳定性好的特点，在汽车、军工、科学测量、工业控制等领域有广阔的应用前景。 压阻式 电容式 压电式 谐振式 热传导式 隧道式 光

2、纤式按加工方法分：主要有立体硅工艺式、表面硅工艺式、LIGAI艺式；按工作方式分：有开环和闭环(静电力平衡式)两种。a.开环立体硅工艺电容式微加速度传感器（1）立体硅工艺电容式微加速度传感器）立体硅工艺电容式微加速度传感器“三明治”结构，芯片尺寸为8.35.71.9mm；框架、敏感质量块和悬臂梁，三端差动电容；电容介质为空气，改变气压可调节系统的阻尼。（1）立体硅工艺电容式微加速度传感器）立体硅工艺电容式微加速度传感器玻璃-硅-玻璃“三明治”式；上下金属层，中间掺杂硅片构成差动电容；质量块由两根扭转轴支持。b.静电力平衡式硅微加速度传感器Ic工艺方法在硅片表面制作微机械结构；硅氧化和氮化、多晶

3、硅沉积和刻蚀、牺牲层刻蚀；精度很高，重复性好，成品率高。(2)表面硅工艺电容式微加速度传感器表面硅工艺电容式微加速度传感器基于x射线光刻技术的三维微结构加工技术；x光深度同步辐射光刻、电铸制模和注模复制；适合于制作敏感质量块、悬臂梁结构的电容式微 加速度传感器。（3）LIGA工艺电容式微加速度传感器工艺电容式微加速度传感器（1）电容式传感器测量原理）电容式传感器测量原理 由2块极板构成，其中极板2为固定极板，初始电容co为： 当活动板1在被测物体的作用下向固定板2位移d时，此时电容C为：电容的变化量为：相对误差：灵敏度s为：a.两极式 固定电极板l和2，活动极板3。活动极板3在向固定极板2移动

4、d时，活动极板到固定极板距离分别为：活动极板和2个固定极板构成电容分别为：当它们做成差动式电容器时，其等效电容为：线性误差：灵敏度：b.差动式（2）结构力学分析）结构力学分析 采用三明治结构。中间部分为单晶硅制作的传感器芯片，上下夹层为Pyrex玻璃，并在真空条件下使用阳极键合技术将其封装在一起。传感器的弹性敏感元件为对称的“四梁一质量块”结构，通过中间质量块对加速度的敏感性，将外界的加速度信号转换成质量块的位移量，质量块相对上下极板间的距离将发生变化，致使一个电容值增加，另一个电容值减小。通过检测电容量的变化来实现对加速度值的测量。a.结构（2）结构力学分析）结构力学分析a.静力学分析 分析

5、采用的单元为SOLID92；单晶硅，其杨氏弹性模量E=1.5*1011Pa， 泊松比为0.17，密度为2.33*1011kgm3。（2）结构力学分析）结构力学分析a.静力学分析 传感器的动极板用来感受外界的加速度信号，并产生位移。它采用“四梁一质量块”结构，模型尺寸以微米为单位，质量块长2000，宽2000，厚100300；单梁长6002500，宽200400，厚1050。有限元静力学分析的主要目标是满足中心质量块的位移量达到l微米左右。（2）结构力学分析）结构力学分析a.静力学分析质量块：2000umX2000umX200urn，单梁：(长)X300umX25urn1)梁长与中心质量块最大位

6、移量的关系2)梁宽与中心质量块最大位移量的关系质量块；2000umX2000umX200um，单梁；1500umX(宽)x25urn（2）结构力学分析）结构力学分析a.静力学分析3)梁厚与中心质量块最大位移量的关系质量块：2000um2000urnX200urn，单梁：1500urnX300umX(厚)4)质量块厚与中心质量块最大位移量的关系质量块：2000ttmx2000urnX(厚)，单梁：1500umX300urn25urn（3）模态分析）模态分析 该分析模型的材料为硅，取结构参数；质量块2000urn2000urnX200urn，悬臂梁1500urn300umX25urn。谐振频率与梁

7、长的关系谐振频率与梁厚的关系（4）结论）结论（2）谐振频率f随悬臂梁厚度和宽度的增大而增大，随悬臂梁长度的增大而减小，都呈非线性关系。（1）从以上模拟结果可以看出：质量块最大位移量随质量块厚度以及单梁长度的增加而增加；随单梁宽度及厚度的增加而减小；并随加速度值的增加而线性增加。微电容式加速度传感器动极板结构尺寸图（5）电容式微加速度传感器测量电路原理）电容式微加速度传感器测量电路原理 当敏感方向的加速度输入时，敏感质量块(活动电极)偏转，引起上下两个工作电容的变化： 在两个固定电极上加高频反相调制电压Uc(t)和一Uc(t)，uc(t)=Ucsin(Wct)，则中间活动电极上的检测信号为：（5

8、）电容式微加速度传感器测量电路原理）电容式微加速度传感器测量电路原理 式中K表示前面诸环节的总增益。再通过低通滤波去掉频率为2纰的高频成分，完成了相敏解调，经过放大得到仅有低频的开环输出：式中K2表示前面诸环节的总增益。显然，Uo(t)与活动电极的位移z(t)成正比。在一定的阻尼比和频率范围内，得到开环输出的幅值： 经带通滤波去掉干扰信号，由一个四象限乘法器把us(t)放大并与原信号uc(t)相乘得到： “四梁一质量块结构的尺寸为：质量块(2000um2000um200urn)，单梁(1500um300umX25urn)，硅片的最大腐蚀深度在100um以内，凸角的损失对结构尺寸而言是相当微小的

9、，不会给电容值带来多大损失，可以省去凸角补偿。但各向异性腐蚀液除了对(000)晶向腐蚀外，对(111)晶向也存在一定程度的腐蚀，所以在制作腐蚀掩膜时，还要考虑到硅的侧向腐蚀。（1）掩膜设计）掩膜设计（2）工艺流程）工艺流程 加速度传感器是基于MEMS技术的，它符合MEMS的标准工艺。MEMS工艺是建立在IC工艺基础上的，主要包括；1)清洗：2)氧化；3)光刻；4)溅射；5)PECVD；6)硼扩；7)湿法腐蚀；8)键合；9)封装等。主要流程如下；（2）工艺流程）工艺流程（2）工艺流程）工艺流程（2）工艺流程）工艺流程通过学习，得出如下体会：l、加速度传感器的结构尺寸对其力学性能的影响很大。2、在进行加速度传感器结构设计时，结构尺寸的选取 应使其第一阶振型为激励振型。3、为了降低加速度传感器的横向灵敏度，