电容式MEMS惯性线加速传感器的设计

电容式MEMS惯性线加速传感器的设计

姓名：王博欧

专业：机械设计制造及其自动化

年级：大四

学号：10101030107

（一）MEMS 加速度传感器的应用背景

微加速度传感器是在 90 年代中期开始广泛用于汽车的安全气囊、振动补偿和防滑系统等方面，用于提高汽车的可操纵性，安全性和舒适性。目前汽车上应用的 MEMS 传感器主要有气囊加速度传感器，轮速旋转传感器，胎压传感器，制冷压力传感器，发动机油压传感器，刹车压力传感器和偏离速率传感器等。在今后的几年中MEMS 加速度传感器将大量地应用到汽车中。

1.1 MEMS 加速度传感器的分类及特点

1、压阻式

压阻式加速度传感器是最早开发的硅微加速度传感器，1979 就有相关方面的报道。利用加速度的改变就会导致其上面扩散电阻的阻值发生改变，从而有不同的电压输出，反映了此时加速度的大小。压阻式传感器的优点在于它直接输出电压信号，不需要复杂的电

路接口。缺点是温度漂移较大，对安装和其它的应力也很敏感，而且使用温度有限制。

2、压电式

它利用压电晶体、聚合物薄膜或压电陶瓷等对压力敏感的材料，采用与压阻式加速度传感器类似的结构，由压电材料替代压阻材料去敏感加速度的变化。但因为这类材料的漏电流效应和热电效应的影响，这类器件一般无法测量静态加速度的大小。另外造价很高也是其不足之处。

3、谐振式

此类加速度传感器上有一个微型谐振器，当作用在谐振器上的应力随加速度的不同而发生改变时，谐振频率会发生变化。由此关系可以测量出感受到的加速度大小。此类传感器的测量精度高，但由于热激励源有时会引起不必要的热应力从而影响其测量精度。另外结构复杂也是其弱点之

4、热电偶式

它利用一个扩散架热电阻向传热板传热，传热速度与加速度有关，由此实现对加速度的测量。这种传感器的优点是热电偶具有很高的灵敏度，能直接输出电压信号。缺点是频率响应范围低。

5、电容式

在这种结构的传感器中，可运动的质量块构成了可变电容的一个可动电极。当质量块受加速度作用而产生位移时，由固定电极和可动电极之间构成的电容量发生变化，将这种

变化量用外围电路检侧出来就可测量加速度的大小。为了获得较高的灵敏度和减小外围电路的复杂性，在设计中都采用增加电极面积和减小电极间距来获得较高的等效电容。为了增加输出信号的分辨率，常采用差动式的测量结构。

另外，还有光纤式、电磁式等一些其它的加速度传感器。

（二）传感器结构及工作原理

在以上研究的加速度传感器中，电容式加速度传感器具有灵敏度高、动态范围宽、温度效应小、阻尼特性好、结构简单和体积小等优点，因此是目前研究和应用最多的硅微加速度传感器。

电容式传感器通常分为三种结构:平板式加速计、梳齿型叉指式传感器、扭转式传感器。平板式加速计(又称三明治式加速计)，属于变间距式，其两个感应电极分别位于质量块和封装的外壳内部。加速度信号引起质量块运动，从而改变电容极板间距。平板电容式传感器一般作为单轴加速度传感器。这种结构的加速度传感器一般使用体硅加工技术，制造出来的传感器分辨率很高，但是封装较困难，一般需要结合键合技术，这给制造工艺带来了较大的麻烦。

梳齿型叉指式感应电容，包含变间距和变面积两种。变间距式的如差分电容式传感器，它由质量块，支撑梁、固定电极组成。当加速度信号到来时，质量块在加速度作用下向下移动，从而导致差分电容极板之间初始间距 d 变为 d+△d 和d+△d，电容值发生变化。扭转式传感器是通过改变感应面积实现检测的目的。加速度信号作用在扭转梁上，使扭转质量块发生扭转，梳齿感应极板的有效感应面积发生改变，从而导致电容值发生改变。通常变面积的微型电容极板所受空气的滑膜阻尼影响较小，灵敏度较高。通常电容式传感器

采用变间距和变面积结合的梳栅型结构。

目前高精度、高分辨率的 MEMS 电容式加速度传感器在卫星通讯、导弹制导控制、地震探测、惯性导航、GPS、以及水下声学测量等方面应用广泛。MEMS 电容式加速计由于其尺寸非常小，容易受到噪声、温度、空气阻尼、工艺等因素的影响，因此在进行器件设计时应综合考虑多种因素。

传感器结构及工作原理对于变间距的电容极板，本文主要采用梳齿型结构。电容结构图如下。

图1 电容结构示意图

其中序号1 所示范围是槽型电极板为固定电极，开槽的极板为可动电极。采用梳型叉指结构不但可以增大感应电容，且可动极板在横向运动的幅度非常小，对系统的性能影响比较小。另外将凹槽开在固定极板上，保证了可动质量块的质量，从而在减小阻尼的同时，保证系统机械噪声跟阻尼成正比的关系。图中虚线 2 所指的范围为栅形电容结构，底部为固定电极，通过质量块运动，而与底部电极形成差分电容。当惯性信号作用到振动梁上时，电容极板就会产生微小的位移，从而间隙处的电容值发生变化，总电容值也发生改变。

（三）制作工艺流程

本文所设计的 MEMS 电容式微加速度传感器主要采用双面单晶硅片进行制作，其电阻率较低，仅为 0.01 。器件加工制作工艺主要包括光刻、硅玻璃键合技术和深度反应离子刻蚀技术等。其具体的加工制作工艺过程如下:

(a)准备一块双面的单晶硅硅片。对硅片用浓硫酸进行清洗，然后放入氧化炉中，温度调到1150℃进行热氧化，交替进行干氧化和湿氧化形成氧化硅 薄膜作为牺牲层。

(b)使用键合区掩模板对该单晶硅片进行首次光刻，并利用温度为 50℃，浓度为50%的氢氧化钾溶液腐蚀掉表面未有光刻胶的 。

(c)根据掩模板的图形刻蚀硅片，从而形成相应的硅玻璃键合区域。

(d)去除硅片表面未被腐蚀掉的 。

(e)准备一块玻璃基片。并采用与步骤(a)相同方法清洗玻璃片。

(f)在玻璃表面溅射一层金属铝Al。

(g)然后利用铝电极掩膜板对玻璃基片进行第二次的光刻，形成栅形铝电极图形。

(h)并利用硅玻璃键合工艺，通过专门的键合设备，设置键合温度为400℃，将硅片和玻璃衬底键合在一起。

(i)打磨减薄硅片到需要的厚度。 形成微谐振器的结构，包括可动质量块、梁、梳齿等

等。使用质量块区的掩模板对键合后的硅面进行淹没光刻，再通过DRIE 工艺对器件进行刻蚀，释放质量块结构，完成硅片上的器件制作。

(j)最后，利用结构层掩膜板3，在硅片上实行第三次光刻，通过深度反应离子刻蚀工艺对器件进行刻蚀，制作出需要的微加速度传感器的相应结构。

最终生产出来的器件通过划片分离成单个器件，进行单独的封装。详细制作流程图如图2。

图2工艺制作流程图