微硅加速度傳感器應(yīng)用：基于MEMS硅微加速度傳感器的設(shè)計(jì)方案
硅微加速度傳感器是MEMS器件中的一個(gè)重要分支，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。由于硅微加速度傳感器具有響應(yīng)快、靈敏度高、精度高、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，而且 該種傳感器在強(qiáng)輻射作用下能正常工作，使其近年來(lái)發(fā)展迅速。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)對(duì)硅微傳感器的研究起步較晚，所做的工作主要集中在硅微加速度傳感器的加工制 造和理論研究。文中以雙端固支式硅微加速度傳感器為研究對(duì)象，借助Aasys軟件對(duì)其性能進(jìn)行仿真分析，從而選出性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式。
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1 傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理
壓阻式加速度傳感器是最早開(kāi)發(fā)的硅微加速度傳感器，彈性元件的結(jié)構(gòu)形式一般均采用微機(jī)械加工技術(shù)形成硅梁外加質(zhì)量塊的形式，利用壓阻效應(yīng)來(lái)檢測(cè)加速度。在 雙端固支梁結(jié)構(gòu)中，質(zhì)量塊像活塞一樣上下運(yùn)動(dòng)，該結(jié)構(gòu)形式的傳感器示意圖，如圖1所示。
2 壓阻式加速度傳感器
壓阻式加速度傳感器是最早開(kāi)發(fā)的硅微型加速度傳感器，也是當(dāng)前使用較多的一種。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)斯坦福大學(xué)的Roylance和Angell發(fā)表 了第一篇介紹硅微型加速度傳感器的文章后，全硅傳感器開(kāi)始問(wèn)世。隨著對(duì)硅微型加速度計(jì)原理研究的深入以及工藝實(shí)現(xiàn)的多樣性，硅微型加速度傳感器的種類日益 繁多，各種應(yīng)用于不同場(chǎng)合下的硅微型加速度計(jì)層出不窮，對(duì)硅微型加速度計(jì)的研究也越來(lái)越受到人們的重視。
壓阻式加速度傳感器體積小、頻率范圍寬、測(cè)量加速度的范圍寬，直接輸出電壓信號(hào)，不需要復(fù)雜的電路接口，大批量生產(chǎn)時(shí)價(jià)格低廉，可重復(fù)生產(chǎn)性好，可直接測(cè) 量連續(xù)的加速度和穩(wěn)態(tài)加速度，但對(duì)溫度的漂移較大，對(duì)安裝和其它應(yīng)力也較敏感，它不具備某些低gn值測(cè)量時(shí)所需的準(zhǔn)確度。
3 壓阻式硅微加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式
3．1 結(jié)構(gòu)形式
壓阻式加速度傳感器的彈性元件一般采用硅梁外加質(zhì)量塊，質(zhì)量塊由懸臂梁支撐，并在懸臂梁上制作電阻，連接成測(cè)量電橋。在慣性力作用下質(zhì) 量塊上下運(yùn)動(dòng)，懸臂梁上電阻的阻值隨應(yīng)力的作用而發(fā)生變化，引起測(cè)量電橋輸出電壓變化，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的測(cè)量。
壓阻式硅微加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)形式有很多種，已有懸臂梁、雙臂梁、4梁和雙島-5梁等結(jié)構(gòu)形式。彈性元件的結(jié)構(gòu)形式及尺寸決定傳感器的靈敏度、頻響、 量程等。質(zhì)量塊能夠在較小的加速度作用下，使得懸臂梁上的應(yīng)力較大，提高傳感器的輸出靈敏度。在大加速度下，質(zhì)量塊的作用可能會(huì)使懸臂梁上的應(yīng)力超過(guò)屈服 應(yīng)力，變形過(guò)大，致使懸臂梁斷裂。為此高gn值加速度擬采用質(zhì)量塊和梁厚相等的單臂梁和雙臂梁的結(jié)構(gòu)形式，如圖2和圖3所示。
3．2 梁結(jié)構(gòu)的有限元模型
Aasys是一個(gè)可在微機(jī)上使用的綜合性有限元軟件，是微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中廣泛使用的有限元分析軟件。通過(guò)有限元的分析計(jì)算可以預(yù)測(cè)懸臂 梁上引力分布、固有頻率、可測(cè)最大加速度等，進(jìn)而指導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取。經(jīng)過(guò)對(duì)梁結(jié)構(gòu)有限元的計(jì)算分析選取單臂梁、雙臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。
由有限元計(jì)算結(jié)果，可以得到單臂梁和雙臂梁上在10 000gn加速度作用下壓阻元件所受的平均應(yīng)力，如表2所示。
4 壓阻式硅微型加速度傳感器加工工藝
壓阻式傳感器的懸臂梁常采用CVD工藝在硅片上外延生長(zhǎng)一層外延層刻蝕而成，文中試用鍵合工藝制造壓阻式加速度傳感器。采用鍵合工藝優(yōu)點(diǎn)是能得到高質(zhì)量的 外延層，且懸臂梁的厚度通過(guò)硅片減薄工藝易于得到保證，精細(xì)的硅片單面研磨，厚度誤差可以控制在0．5 μm以內(nèi)；且不需要電化學(xué)自停止腐蝕，依靠EPW腐蝕液對(duì)SiO2的腐蝕速度極慢，使得腐蝕過(guò)程停止在SiO2層上，從而保證了硅片減薄后的厚度即為彈性 梁的厚度。制作的傳感器芯片尺寸3 mm×5 mm，封裝在陶瓷管殼中。選n型硅片，晶向（100），直徑為50mm，厚度為300μm，電阻率為5～12 ω·cm。
5 加速度傳感器性能測(cè)試與結(jié)果分析
5．1 沖擊試驗(yàn)
高gn值硅微型加速度計(jì)的靈敏度很低，在小加速度下幾乎沒(méi)有信號(hào)輸出，只有進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，才能檢驗(yàn)其性能。為此，常溫下沖擊試驗(yàn)在馬希 特?fù)翦N上進(jìn)行。
將標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被標(biāo)定傳感器同時(shí)固定在馬希特?fù)翦N的錘頭上，分別對(duì)單臂梁和雙臂梁結(jié)構(gòu)的加速度傳感器樣品在不同的齒數(shù)下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。過(guò)載試驗(yàn)可達(dá)到12 000 gn而不失效，加速度傳感器沖擊測(cè)試范圍到2 500 gn。
5．2 測(cè)試結(jié)果分析
通過(guò)對(duì)被測(cè)試加速度傳感器輸出電壓與加速度之間關(guān)系的分析，其基本屬于線性關(guān)系，采用一元線性回歸模型對(duì)被測(cè)試傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬 合，其結(jié)果，如圖5所示。
對(duì)于懸臂梁結(jié)構(gòu)的硅微型加速度傳感器，在其它結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下，梁的厚度對(duì)加速度傳感器的靈敏度影響最大，基本上是反比的關(guān)系。這是由于在同樣 的載荷下，梁厚與應(yīng)力大小成反比，而應(yīng)力大小直接影響靈敏度，應(yīng)力越大靈敏度越高。由于加工出芯片梁的厚度比設(shè)計(jì)值偏差較大，故其測(cè)試靈敏度比設(shè)計(jì)值小， 如表3所示。
在質(zhì)量塊尺寸一定的情況下，梁的長(zhǎng)度-與靈敏度成正比，梁的寬度與靈敏度成反比。在梁的尺寸一定情況下，質(zhì)量塊的質(zhì)量與靈敏度成正比。
微硅加速度傳感器應(yīng)用：應(yīng)用于硅微加速度傳感器的鍵合技術(shù)[發(fā)明專利]
專利內(nèi)容由知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社提供
摘要：
本發(fā)明提供的是一種應(yīng)用于硅微加速度傳感器的鍵合技術(shù)。在采用平面IC工藝在兩面制作
有正面圖形和背面圖形的主芯片的兩面濺射金屬合金薄膜，通過(guò)光刻在兩面的邊緣區(qū)域形成金屬共熔
區(qū)；在制作有加速度傳感器上蓋圖形的上蓋的有圖形面濺射金屬合金薄膜，通過(guò)光刻在邊緣區(qū)域形成
金屬共熔區(qū)；在制作有加速度傳感器下蓋圖形的下蓋的有圖形面濺射金屬合金薄膜，通過(guò)光刻在邊緣
區(qū)域形成金屬共熔區(qū)；將制作的上蓋、主芯片、下蓋對(duì)準(zhǔn)，在360℃－380℃溫度下，并保溫25－35
分鐘進(jìn)行鍵合。本發(fā)明的方法可以消除硅微機(jī)械傳感器鍵合高溫鍵合引起摻雜的再分布，熱膨脹帶來(lái)
的應(yīng)力以及溫度超過(guò)鋁硅共晶點(diǎn)引起器件失效等問(wèn)題。
申請(qǐng)人：
中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所
地址：
黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)一曼街29號(hào)
國(guó)籍：
CN
代理機(jī)構(gòu)：
哈爾濱市哈科專利事務(wù)所有限責(zé)任公司
代理人：
祖玉清
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微硅加速度傳感器應(yīng)用：微硅加速度傳感器的發(fā)展
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微硅加速度傳感器應(yīng)用：電容式硅微加速度傳感器的研究
電容式硅微加速度傳感器的研究
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權(quán)威出處：
《電機(jī)與控制學(xué)報(bào)》1970年40期
微納電子技術(shù)
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權(quán)威出處： 《微納電子技術(shù)》2003年Z1期
重慶大學(xué)
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電容式硅微加速度傳感器是一種重要的慣性傳感器,是慣性測(cè)量組合系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件之一,在生產(chǎn)生活和軍事武器中有著廣泛的應(yīng)用。它與傳統(tǒng)的加速度計(jì)相比具有重量輕,成本低,功耗小,體積小等諸多優(yōu)點(diǎn),因此成為人們研究的熱點(diǎn)。而其檢測(cè)電路的研制是關(guān)鍵技術(shù)之一。由于加工條件的限制,目前國(guó)內(nèi)所研制出的微電容式加速度計(jì)主要是采用體硅加工工藝,所以無(wú)法把基于表面加工工藝的讀取電路集成在一塊芯片中。本論文針對(duì)國(guó)內(nèi)目前體硅加工工藝研制出的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)電容式加速度傳感器進(jìn)行了傳感器的信號(hào)獲取與處理集成電路的研究。可以采用厚薄膜加工工藝把傳感器和此檢測(cè)電路進(jìn)行混合集成。它的設(shè)計(jì)思路也可用于表面微機(jī)械加工工藝制作的差分電容式傳感器,實(shí)現(xiàn)單片集成。本論文主要完成了以下研究工作:①本論文圍繞電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究,重點(diǎn)研究了硅微加速度傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理、電學(xué)、力學(xué)特性等。②對(duì)微加速度傳感器信號(hào)獲取與處理的檢測(cè)電路進(jìn)行了深...
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權(quán)威出處： 重慶大學(xué) 碩士論文 2009年
南京理工大學(xué)
MEMS傳感器及在引信中的應(yīng)用研究
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)將對(duì)引信的發(fā)展提供其它技術(shù)不可比擬的技術(shù)支撐。本文主要內(nèi)容可分為兩大部分：硅微加速度傳感器的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試；基于硅微加速度傳感器的引信發(fā)射環(huán)境的識(shí)別。文中首先分析了國(guó)內(nèi)外硅微加速度傳感器研究所取得的成果，根據(jù)引信環(huán)境信息探測(cè)的要求確定了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工工藝相對(duì)容易、成本較低的壓阻式加速度傳感器作為引信發(fā)射環(huán)境識(shí)別的傳感器。在參數(shù)選擇基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了傳感器的結(jié)構(gòu)和工藝路線，并經(jīng)過(guò)幾個(gè)批次的試制，成功地加工出了傳感器樣機(jī)，利用馬希特?fù)翦N對(duì)傳感器樣機(jī)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果令人滿意。文中分析了基于硅微加速度傳感器的環(huán)境識(shí)別的引信安全性和可靠性，提出了基于加速度傳感器的引信發(fā)射環(huán)境識(shí)別的閾值+時(shí)間窗法。指出了由于采用加速度傳感器，引信安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為環(huán)境識(shí)別方法的軟件設(shè)計(jì)。提出了MEMS的發(fā)展在三個(gè)層次上可能改變未來(lái)引信的面貌，即部件級(jí)，可制作固態(tài)安全系統(tǒng)；產(chǎn)品級(jí)，導(dǎo)致固態(tài)引信的發(fā)展；系統(tǒng)級(jí)，實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)...
(本文共96頁(yè))
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權(quán)威出處： 南京理工大學(xué) 博士論文 2003年
今日科苑
叉指電容式汽車安全氣囊硅微加速度傳感器的設(shè)計(jì)和分析
本文對(duì)一種基于MEMS技術(shù)的2-D梳狀插指電容加速度傳感器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析、研究和仿...
(本文共2頁(yè))
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權(quán)威出處： 《今日科苑》2010年20期
廈門大學(xué)
寬量程微加速度傳感器的研制
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是面向21世紀(jì)的高新科技,涉及到電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科,MEMS在21世紀(jì)將成為最重要、最活躍的研究領(lǐng)域之一。而微加速度計(jì)是微機(jī)電系統(tǒng)的一個(gè)很重要的方向,它廣泛應(yīng)用到慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)、生物醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、汽車工業(yè)、探礦測(cè)震、機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化、玩具等領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)了一種以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的電容式力平衡硅微加速度傳感器,該傳感器主要采用SOI和硅-玻璃鍵合技術(shù)制作,形成了玻璃-硅-玻璃的三明治結(jié)構(gòu)。該傳感器能滿足在大范圍內(nèi)加速度的變化測(cè)量。就此本文開(kāi)展了以下主要研究工作:1、分析幾種典型加速度傳感器的原理,并比較其優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件及課題寬量程的特點(diǎn),提出電容式力平衡硅微加速度傳感器。2、對(duì)寬量程平衡式微加速度傳感器的工作原理進(jìn)行分析、研究,設(shè)計(jì)傳感器的結(jié)構(gòu),建立了數(shù)學(xué)的模型,確定使系統(tǒng)穩(wěn)定必須滿足的條件,對(duì)系統(tǒng)安全必須滿足的條件進(jìn)行分析,根據(jù)提出的結(jié)構(gòu),從理論上...
(本文共107頁(yè))
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權(quán)威出處： 廈門大學(xué) 碩士論文 2005年
