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- 基于MEMS加速度傳感器的原理及分析
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 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(shù)的加速度傳感器，從物理結(jié)構(gòu)的角度對(duì)這 幾種傳感器的測(cè)量原理進(jìn)行了分析，不但著重介紹了已經(jīng)較為成熟且形成產(chǎn)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(duì)目前較為前沿的光波導(dǎo)式加速度傳感器也進(jìn)行了一些分析和介紹。
關(guān)鍵詞：硅微機(jī)械加工技術(shù);加速度傳感器;封裝隨著硅微機(jī)械加工技術(shù)(MEMS)的迅猛發(fā)展，各 種基于MEMS技術(shù)的器件也應(yīng)運(yùn)而生，目前已經(jīng)得 到廣泛應(yīng)用的就有壓力傳感器、加速度傳感器、光開 關(guān)等等，它們有著體積小、質(zhì)量輕、成本低、功耗低、 可靠性髙等特點(diǎn)，而且因?yàn)槠浼庸すに囈欢ǔ潭壬?與傳統(tǒng)的集成電路工藝兼容，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能 化以及批量生產(chǎn)，因而從問世起就引起了廣泛關(guān)注， 并且在汽車、醫(yī)藥、導(dǎo)航和控制、生化分析、工業(yè)檢測(cè) 等方面得到了較為迅速的應(yīng)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(jiǎn)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(jié)構(gòu)，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(dòng)部分A、B和固定電極三部分 組成。其中，活動(dòng)部分由超靜定梁、質(zhì)量塊以及與質(zhì) 量塊相連的活動(dòng)電極組成。整個(gè)梳齒結(jié)構(gòu)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(dòng)電極組成電容Ca, 固定電極b與下半部分活動(dòng)電極組成電容設(shè) 計(jì)時(shí)，將上、下極板不同區(qū)域的電極的引線分開，實(shí)驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)需要將其短接或分開接。當(dāng)有加速度 A輸人時(shí)，慣性力使活動(dòng)極板產(chǎn)生1個(gè)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(zhuǎn)換，把電容器C1、C2的電容量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 經(jīng)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(chǎn)生的靜電力矩與慣性力矩平衡，使式中：
〇—慣性加速度；
動(dòng)質(zhì)量塊保持在原有的平衡位置，通過反饋電壓的量塊質(zhì)量;
正負(fù)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(jì)的工作原理如圖3所示。 在受到加速度作用時(shí)，在慣性力-作用下，檢測(cè) 質(zhì)量塊在z方向運(yùn)動(dòng)。這使動(dòng)極板兩側(cè)的電容Ca、 Cb發(fā)生了變化。兩側(cè)電容的差值(2倍于單側(cè)的變 化量)經(jīng)激勵(lì)正弦波信號(hào)調(diào)制，由電容檢測(cè)器檢出。
該信號(hào)經(jīng)交流放大器放大、檢波和適當(dāng)?shù)男Ｑa(bǔ)， 反饋到中間極板，由其在電容器極板間產(chǎn)生靜電力， 此靜電力的力矩使檢測(cè)質(zhì)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(dāng)系 統(tǒng)處于平衡時(shí)，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(zhì)量塊質(zhì)量
d—上、下電容間隙；
S—電容極板總面積；
e一介電常數(shù)；
Fdc一直流偏壓。
所以k為常數(shù)，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(guān)工藝制成的微加速度計(jì)，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(jī)械加工成的加速度計(jì)小1 ~ 2個(gè)數(shù)量級(jí)。由于其質(zhì)量小，因此能承受高沖擊， 實(shí)驗(yàn)測(cè)試這種原理的微加速度計(jì)在不加電狀態(tài)下 三個(gè)方向至少可以承受數(shù)百乃至數(shù)千g以上的沖擊。
2 硅微壓阻式加速度傳感器
半導(dǎo)體單晶硅材料在受到外力作用，會(huì)產(chǎn)生肉 眼察覺不到的極微小應(yīng)變，其原子結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電子 能級(jí)狀態(tài)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其電阻率劇烈的變化， 由其材料制成的電阻也就出現(xiàn)極大變化，這種物理 效應(yīng)叫壓阻效應(yīng)。它較之傳統(tǒng)的膜合電位計(jì)式、力 平衡式、變電感式、變電容式、金屬應(yīng)變片式及半導(dǎo) 體應(yīng)變片式傳感器技術(shù)上先進(jìn)得多。從20世紀(jì)80 年代中期以后，在美、日、歐傳感器市場(chǎng)上，它已是壓力傳感器中占據(jù)主流的品種，并與壓電式幾乎平分 了加速度傳感器的國(guó)際市場(chǎng)。目前,在以大規(guī)模集 成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)介人為特色的智能傳 感器技術(shù)中，由于它能做成單片式多功能復(fù)合敏感 元件來構(gòu)成智能傳感器的基礎(chǔ)，因而備受矚目a壓阻式傳感器由一個(gè)振動(dòng)片和4個(gè)用微機(jī)械技 術(shù)處理形成的褶曲部分組成，4個(gè)支架中的每一個(gè) 都含有2個(gè)移植的電阻，它們互相連接形成一個(gè)惠 斯登電橋，當(dāng)它承受一個(gè)加速度時(shí)，這個(gè)片將上下移 動(dòng)，導(dǎo)致4個(gè)電阻值增加，其它的4個(gè)減少，這樣就 形成了一個(gè)與電源電壓成比例的電壓變化。這8個(gè) 電阻如果互相聯(lián)接，將會(huì)使任何偏離軸線的加速度的影響無(wú)效。硅的頂部和底部的帽與容納振動(dòng)片和 支架的部分相連，硅帽有幾個(gè)用途，精密的缺口蝕刻 在帽上提供了空氣緩沖，消除結(jié)構(gòu)的共振峰值。因 為這個(gè)部分被緩沖，到幾kHz的頻率響應(yīng)是呈水平 趨勢(shì)，受溫度影響較小。
結(jié)構(gòu)中的頂帽用來在沒有加速度時(shí)檢測(cè)加速度 計(jì)，實(shí)現(xiàn)自檢功能。當(dāng)提供給硅頂帽金屬極一個(gè)電 壓時(shí)，靜電力驅(qū)使振動(dòng)片朝頂帽移動(dòng)。這導(dǎo)致了一 個(gè)與靈敏度和應(yīng)用電壓的平方成比例的輸出電壓變 化，這樣為應(yīng)用一個(gè)外部電壓產(chǎn)生一個(gè)加速度和檢 測(cè)機(jī)械和電子結(jié)構(gòu)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(yīng)用于低 成本的傳感器領(lǐng)域，此類加速度傳感器既可以測(cè)量 動(dòng)態(tài)加速度，也可以測(cè)量靜態(tài)及速度。基于熱交換 原理，介質(zhì)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(hào)，一路是測(cè)量X軸加速度的，另一路是測(cè) 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(duì)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(dú)特優(yōu)點(diǎn)在于,它的準(zhǔn)數(shù)字量 輸出可直接用于復(fù)雜的數(shù)字電路而免去了其它類型 傳感器在信號(hào)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(zhì)量和制作質(zhì)量一定 要得到保證。（2)要有足夠高精度的數(shù)字信號(hào)處理電路來監(jiān)測(cè)輸出頻率信號(hào)的微弱變化。隨著硅材料 工藝、微機(jī)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(duì)靈敏度的考慮，體硅加工的傳感器結(jié)構(gòu) 往往設(shè)計(jì)為單邊支撐的懸臂梁結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)的 缺點(diǎn)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(duì)稱的梁塊結(jié)構(gòu)。 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(zhì)量塊之間同時(shí)制作支撐梁和諧振梁， 這樣的設(shè)計(jì)既可以借用已有的成熟工藝，又為進(jìn)一 步的傳感器-檢測(cè)電路系統(tǒng)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(jié) 構(gòu)的合適位置上制作出諧振梁。例如，在4角固支 結(jié)構(gòu)的4邊同時(shí)制作了4條諧振梁。而且，這4條 諧振梁也可以同時(shí)用作支撐作用而省去原來的支撐 梁，從而增加了檢測(cè)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(dǎo)加速度傳感器是一種較為新型的加 速度傳感器，其原理結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖。射 人波導(dǎo)1的一束光，到達(dá)分束器BS時(shí)，分為透射和 反射兩個(gè)部分，其中反射部分進(jìn)人波導(dǎo)4,并到達(dá)光 探測(cè)器2。透射部分進(jìn)人波導(dǎo)2,波導(dǎo)2穿過懸臂梁 的頂部,然后經(jīng)過一個(gè)微小的空氣間隙耦合到波導(dǎo) 3,當(dāng)探測(cè)器1的作用時(shí)探測(cè)進(jìn)人波導(dǎo)3的光強(qiáng)。加 速度為零時(shí)，波導(dǎo)2和波導(dǎo)3端面正對(duì)，此時(shí)經(jīng)空氣 間隙構(gòu)合進(jìn)人波導(dǎo)3的光最強(qiáng)。因?yàn)榭諝忾g隙距離 僅有幾個(gè)微米，可以認(rèn)為從波導(dǎo)2出射的光完全照 射在波導(dǎo)3的端面上，進(jìn)人波導(dǎo)3的光強(qiáng)度僅同波 導(dǎo)3界面的反射率有關(guān)。當(dāng)加速度不為零,在質(zhì)量 塊慣性力作用下，懸臂梁將發(fā)生彎曲，此時(shí)波導(dǎo)2和 波導(dǎo)3相對(duì)截面間將發(fā)生一個(gè)微小位移，位移量的 大小是加速度的函數(shù)。可以近似性，在薄片受折或機(jī)械應(yīng)力作用下，連接處容易發(fā)生 切變，太厚也阻礙導(dǎo)熱，影響連接點(diǎn)的形成。薄片上 的印制導(dǎo)線是由石墨,或者銀和石墨的導(dǎo)電漿料印 制而成的。各向異性導(dǎo)電粘接劑由絲網(wǎng)印刷到薄片 熱壓焊的區(qū)域。
當(dāng)使用ACF作為互連介質(zhì)連接薄膜電路時(shí)，其 使用的柔性薄膜連接帶大多是聚酰亞胺薄片制造 的，因?yàn)锳CF粘接劑是熱固型的，需要較高的熱壓 溫度和較長(zhǎng)的固化時(shí)間，彈性比聚酯薄膜更好。聚酰亞胺薄片上的印制導(dǎo)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(fèi)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(shí)要注意銅箔表面合金的類型。
我國(guó)許多液晶顯示屏生產(chǎn)廠家，為適應(yīng)日益增 長(zhǎng)的產(chǎn)品微小型化的要求，引進(jìn)了采用各向異性導(dǎo) 電粘接劑完成電路互連的熱壓焊安裝設(shè)備,大多數(shù) 是半自動(dòng)設(shè)備，少數(shù)的全自動(dòng)設(shè)備，基本上都是境外 產(chǎn)品，主要用于生產(chǎn)LCM。
半自動(dòng)設(shè)備完成熱壓焊采用了兩臺(tái)設(shè)備，一臺(tái) 設(shè)備完成ACF的預(yù)壓焊工序，即將ACF與其保護(hù)膜 分離切斷,粘壓到LCD基片上，進(jìn)行預(yù)壓焊,另一臺(tái) 具有調(diào)節(jié)定位賽統(tǒng)，能將1C芯片準(zhǔn)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(jī)械連接。全自動(dòng)設(shè)備在一臺(tái)設(shè) 備上完成上述兩臺(tái)設(shè)備的工作，其結(jié)構(gòu)和控制也復(fù) 雜得多，有四個(gè)工位，每個(gè)工位都有精密的工作臺(tái)和 上、下料機(jī)構(gòu)，分別完成放置LCD基片，預(yù)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(zé)是保證供料和處理異常情 況，工作效率和質(zhì)量較高，但對(duì)原料和工件要求嚴(yán)格 規(guī)范，設(shè)備價(jià)格也非常昂貴。
3 結(jié)束語(yǔ)
采用各向異性導(dǎo)電粘接劑完成電路互連，也面 臨市場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)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(rèn)為大的間距在500 μm- 1000μm,精細(xì)間 距在50μm ~ 500μm。大的間距可以采用孔定位，手 工調(diào)整，精細(xì)間距則需要夾具和光學(xué)校準(zhǔn)。對(duì)于大 間距產(chǎn)品的電子產(chǎn)品，校準(zhǔn)過程簡(jiǎn)單，設(shè)備投資小， 生產(chǎn)過程短，成品率高。對(duì)于精細(xì)間距，當(dāng)間距大于 100μm時(shí)，互連熱壓焊相對(duì)容易一些,一但間距小到50μm-100μm就帶來許多問題，要求設(shè)備有更精 密的調(diào)整、校準(zhǔn)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(shù)不同，使得兩互連 部件的電極引線之間產(chǎn)生偏差。因此對(duì)較寬的互連 件，應(yīng)充分考慮互連部件的共面性和部件的熱膨脹 系數(shù)。互連寬度一般認(rèn)為在55 mm ~ 150 mm,但實(shí) 際應(yīng)用一般控制在25 mm～50 mm。
采用各向異性導(dǎo)電粘接劑完成電路互連基本上 是一項(xiàng)成熟的工藝技術(shù)，它隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步在不斷發(fā)展。（作者：張海濤，閻貴平）
美國(guó)精量電子（MEAS）加速度傳感器產(chǎn)線由北京賽斯維測(cè)控技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)在中國(guó)地區(qū)的市場(chǎng)推廣及技術(shù)支持。推薦產(chǎn)品型號(hào)：64C、4610、4630加速度傳感器。查看技術(shù)參數(shù)或更多產(chǎn)品信息可登陸www.sensorway.cn 或撥打產(chǎn)品咨詢熱線010-84775646，84775648。
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