- 基于MEMS加速度傳感器的原理及分析
- 來源：賽斯維傳感器網 發(fā)表于 2014/7/24
摘要：主要介紹了五種目前常見的基于MEMS技術的加速度傳感器，從物理結構的角度對這 幾種傳感器的測量原理進行了分析，不但著重介紹了已經較為成熟且形成產業(yè)化的硅微電容式、壓 阻式、熱電耦式加速度傳感器，而且對目前較為前沿的光波導式加速度傳感器也進行了一些分析和介紹。
關鍵詞：硅微機械加工技術;加速度傳感器;封裝隨著硅微機械加工技術(MEMS)的迅猛發(fā)展，各 種基于MEMS技術的器件也應運而生，目前已經得 到廣泛應用的就有壓力傳感器、加速度傳感器、光開 關等等，它們有著體積小、質量輕、成本低、功耗低、 可靠性髙等特點，而且因為其加工工藝一定程度上 與傳統的集成電路工藝兼容，易于實現數字化、智能 化以及批量生產，因而從問世起就引起了廣泛關注， 并且在汽車、醫(yī)藥、導航和控制、生化分析、工業(yè)檢測 等方面得到了較為迅速的應用。以下就筆者所了解 的幾種基于不同原理的硅微加速度傳感器向大家做 一簡單介紹。
1 硅微電容式加速度傳感器
硅微電容式加速度傳感器的敏感部分通常為梳齒結構，如圖1所示，其掃描電鏡顯微照片如圖2所示。敏感元件由活動部分A、B和固定電極三部分 組成。其中，活動部分由超靜定梁、質量塊以及與質 量塊相連的活動電極組成。整個梳齒結構分成A和B兩部分，固定電極分成固定電極ti和固定電極 W固定電極a與上半部分活動電極組成電容Ca, 固定電極b與下半部分活動電極組成電容設 計時，將上、下極板不同區(qū)域的電極的引線分開，實驗時，可根據需要將其短接或分開接。當有加速度 A輸人時，慣性力使活動極板產生1個偏角α使電容器C1的電容量增加，C2的電容量減小,通過線 路轉換，把電容器C1、C2的電容量轉換成電信號， 經相敏放大后把輸出電壓反饋到電容靜電力矩器，電容力矩器產生的靜電力矩與慣性力矩平衡，使式中：
〇—慣性加速度；
動質量塊保持在原有的平衡位置，通過反饋電壓的量塊質量;
正負和大小來度量輸人加速度的方向和大小。
硅微電容式加速度計的工作原理如圖3所示。 在受到加速度作用時，在慣性力-作用下，檢測 質量塊在z方向運動。這使動極板兩側的電容Ca、 Cb發(fā)生了變化。兩側電容的差值(2倍于單側的變 化量)經激勵正弦波信號調制，由電容檢測器檢出。
該信號經交流放大器放大、檢波和適當的校補， 反饋到中間極板，由其在電容器極板間產生靜電力， 此靜電力的力矩使檢測質量塊保持在零位。它與加 速度作用所引人的力矩大小相等，方向相反。當系 統處于平衡時，慣性力與反饋力平衡，就其大小來 說= 若視電容為理想平板電容，上下電容間隙相等，則靜電反饋力為；
式中：
a—慣性加速度
m—質量塊質量
d—上、下電容間隙；
S—電容極板總面積；
e一介電常數；
Fdc一直流偏壓。
所以k為常數，表明加速度與反饋電壓成正比，這意味著傳感器輸出線性地反映了其感受的加速度大小。
采用MEMS有關工藝制成的微加速度計，其敏 感芯片的體積僅5 mm見方，和成人的小指甲蓋大 小差不多，比采用精密機械加工成的加速度計小1 ~ 2個數量級。由于其質量小，因此能承受高沖擊， 實驗測試這種原理的微加速度計在不加電狀態(tài)下 三個方向至少可以承受數百乃至數千g以上的沖擊。
2 硅微壓阻式加速度傳感器
半導體單晶硅材料在受到外力作用，會產生肉 眼察覺不到的極微小應變，其原子結構內部的電子 能級狀態(tài)發(fā)生變化，從而導致其電阻率劇烈的變化， 由其材料制成的電阻也就出現極大變化，這種物理 效應叫壓阻效應。它較之傳統的膜合電位計式、力 平衡式、變電感式、變電容式、金屬應變片式及半導 體應變片式傳感器技術上先進得多。從20世紀80 年代中期以后，在美、日、歐傳感器市場上，它已是壓力傳感器中占據主流的品種，并與壓電式幾乎平分 了加速度傳感器的國際市場。目前,在以大規(guī)模集 成電路技術和計算機軟件技術介人為特色的智能傳 感器技術中，由于它能做成單片式多功能復合敏感 元件來構成智能傳感器的基礎，因而備受矚目a壓阻式傳感器由一個振動片和4個用微機械技 術處理形成的褶曲部分組成，4個支架中的每一個 都含有2個移植的電阻，它們互相連接形成一個惠 斯登電橋，當它承受一個加速度時，這個片將上下移 動，導致4個電阻值增加，其它的4個減少，這樣就 形成了一個與電源電壓成比例的電壓變化。這8個 電阻如果互相聯接，將會使任何偏離軸線的加速度的影響無效。硅的頂部和底部的帽與容納振動片和 支架的部分相連，硅帽有幾個用途，精密的缺口蝕刻 在帽上提供了空氣緩沖，消除結構的共振峰值。因 為這個部分被緩沖，到幾kHz的頻率響應是呈水平 趨勢，受溫度影響較小。
結構中的頂帽用來在沒有加速度時檢測加速度 計，實現自檢功能。當提供給硅頂帽金屬極一個電 壓時，靜電力驅使振動片朝頂帽移動。這導致了一 個與靈敏度和應用電壓的平方成比例的輸出電壓變 化，這樣為應用一個外部電壓產生一個加速度和檢 測機械和電子結構的性能提供了可能。
3 硅微熱電耦式加速度傳感器
硅微熱電耦式的加速度傳感器目前多應用于低 成本的傳感器領域，此類加速度傳感器既可以測量 動態(tài)加速度，也可以測量靜態(tài)及速度。基于熱交換 原理，介質是氣體。如圖4所示，熱源處于硅片的中 央，硅片懸在空穴中間。在熱源的四周均勻分布有 熱電耦堆(鋁/多晶硅h圖中的加速度傳感器上有 兩路信號，一路是測量X軸加速度的，另一路是測 量3"軸加速度的。在沒有加速度的情況下,熱源的 溫度梯度均勻分布,對四周的熱電耦而言，溫度是一 樣的，輸出的電壓也是一樣的。熱自由交換，任何方 向的加速度將打破溫度分布平衡，使之分布不平衡。 輸出的電壓也將隨之改變。熱電稱輸出的電壓差和 加速度成正比例。
諧振式傳感器的獨特優(yōu)點在于,它的準數字量 輸出可直接用于復雜的數字電路而免去了其它類型 傳感器在信號傳遞方面的諸多不便。諧振式傳感器 的敏感元件是諧振子,其固有諧振特性決定了該類 型傳感器具有很高的靈敏度和分辨率，但問題也由 此而來。（1)硅諧振子的材料質量和制作質量一定 要得到保證。（2)要有足夠高精度的數字信號處理電路來監(jiān)測輸出頻率信號的微弱變化。隨著硅材料 工藝、微機械加工工藝和集成電路的飛速發(fā)展，這些 問題變得容易解決，這也使得諧振式傳感器成為低 成本、高性能傳感器的突出代表。
出于對靈敏度的考慮，體硅加工的傳感器結構 往往設計為單邊支撐的懸臂梁結構。但這種結構的 缺點很明顯。它有著很大的橫向靈敏度，所以在方 向性要求較高的情況下,需要選擇對稱的梁塊結構。 基于已有的壓阻式體硅微加速度傳感器的研制，在 支撐框架與質量塊之間同時制作支撐梁和諧振梁， 這樣的設計既可以借用已有的成熟工藝，又為進一 步的傳感器-檢測電路系統集成提供了工藝兼容的 便利條件。利用同樣的思想就可以在其它的梁塊結 構的合適位置上制作出諧振梁。例如，在4角固支 結構的4邊同時制作了4條諧振梁。而且，這4條 諧振梁也可以同時用作支撐作用而省去原來的支撐 梁，從而增加了檢測的靈敏度。圖5示意了諧振梁 的制作位置及尺寸。
硅微光波導加速度傳感器是一種較為新型的加 速度傳感器，其原理結構如圖6所示,其中圖6(a)為加速度傳感器的原理圖，圖6(b)為結構示意圖。射 人波導1的一束光，到達分束器BS時，分為透射和 反射兩個部分，其中反射部分進人波導4,并到達光 探測器2。透射部分進人波導2,波導2穿過懸臂梁 的頂部,然后經過一個微小的空氣間隙耦合到波導 3,當探測器1的作用時探測進人波導3的光強。加 速度為零時，波導2和波導3端面正對，此時經空氣 間隙構合進人波導3的光最強。因為空氣間隙距離 僅有幾個微米，可以認為從波導2出射的光完全照 射在波導3的端面上，進人波導3的光強度僅同波 導3界面的反射率有關。當加速度不為零,在質量 塊慣性力作用下，懸臂梁將發(fā)生彎曲，此時波導2和 波導3相對截面間將發(fā)生一個微小位移，位移量的 大小是加速度的函數�？梢越菩�，在薄片受折或機械應力作用下，連接處容易發(fā)生 切變，太厚也阻礙導熱，影響連接點的形成。薄片上 的印制導線是由石墨,或者銀和石墨的導電漿料印 制而成的。各向異性導電粘接劑由絲網印刷到薄片 熱壓焊的區(qū)域。
當使用ACF作為互連介質連接薄膜電路時，其 使用的柔性薄膜連接帶大多是聚酰亞胺薄片制造 的，因為ACF粘接劑是熱固型的，需要較高的熱壓 溫度和較長的固化時間，彈性比聚酯薄膜更好。聚酰亞胺薄片上的印制導線是由銅箔制成的，銅箔厚度大約在12 25 pi,夾在兩層聚酰亞胺薄片之間。也有使用鍍金銅箔的，其性能更好但費用昂貴， 使用鍍鉛錫合金的銅箔的情況也有，因此選擇粘接 劑時要注意銅箔表面合金的類型。
我國許多液晶顯示屏生產廠家，為適應日益增 長的產品微小型化的要求，引進了采用各向異性導 電粘接劑完成電路互連的熱壓焊安裝設備,大多數 是半自動設備，少數的全自動設備，基本上都是境外 產品，主要用于生產LCM。
半自動設備完成熱壓焊采用了兩臺設備，一臺 設備完成ACF的預壓焊工序，即將ACF與其保護膜 分離切斷,粘壓到LCD基片上，進行預壓焊,另一臺 具有調節(jié)定位賽統，能將1C芯片準確的置于LCD表 面規(guī)定的位置，完成熱壓焊過程，使1C和LCD基片 形成良好的電氣和機械連接。全自動設備在一臺設 備上完成上述兩臺設備的工作，其結構和控制也復 雜得多，有四個工位，每個工位都有精密的工作臺和 上、下料機構，分別完成放置LCD基片，預貼ACF 帶，安裝1C芯片，完成熱壓焊，取走焊好的LCD基片 等工作。操作員的職責是保證供料和處理異常情 況，工作效率和質量較高，但對原料和工件要求嚴格 規(guī)范，設備價格也非常昂貴。
3 結束語
采用各向異性導電粘接劑完成電路互連，也面 臨市場對電子產品微小型化要求更高的壓力，電路 互連需要解決更窄的電極引線間距和更大的連接 度，一般認為大的間距在500 μm- 1000μm,精細間 距在50μm ~ 500μm。大的間距可以采用孔定位，手 工調整，精細間距則需要夾具和光學校準。對于大 間距產品的電子產品，校準過程簡單，設備投資小， 生產過程短，成品率高。對于精細間距，當間距大于 100μm時，互連熱壓焊相對容易一些,一但間距小到50μm-100μm就帶來許多問題，要求設備有更精 密的調整、校準精度，更重要的還涉及到互連部件的 材料，由于材料不同，熱膨脹系數不同，使得兩互連 部件的電極引線之間產生偏差。因此對較寬的互連 件，應充分考慮互連部件的共面性和部件的熱膨脹 系數�；ミB寬度一般認為在55 mm ~ 150 mm,但實 際應用一般控制在25 mm～50 mm。
采用各向異性導電粘接劑完成電路互連基本上 是一項成熟的工藝技術，它隨著科學技術進步在不斷發(fā)展。（作者：張海濤，閻貴平）
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