（机械制造及其自动化专业论文）铰链式宽频带高量程微加速度传感器研究.pdf

摘要 随着科技的发展，加速度传感器在工业应用中越来越得到广泛应用，比如设各的 振动检测。传统盼传感器往往缀难满足要求，孺微窀子和微机械船工紧密结合豹 m e m s 加速度传感器已经显示出臣大的生命力。在强烈振动、高冲击场合，需要一 疋高量程豹加速度计。翥爨程加速发传感器往往需要宽频带：例如高量程加速度传感 滞的量程可以达到1 0 0 ，0 0 0 9 ，灵敏度为o 2 0 4 # w g ，安装斟有频率可达到m m 量 缀。 论文提出了一种铰链式结构的压阻式商量程加速度传感器，该结构可使加速度传 感器在保持一定灵敏度的情况下大大提高器件固有频率，从蕊在更宽的频带肉真实地 反映冲击过程的加速度波形。本论文主要对铰链式高量程加速度传感器的设计、工作 原理、结构优化、工艺铡佟和封装进行了研究。其中第二章详细论述了铰链式离量程 加速度传感器的工作原理，建立丁简化模型和改进模型分析该加速度计的力学性能， 并用a n s y s 模拟验证两种模型的计算结果。其中的改进模型考虑了质量块的变形以 及梁和铰链的质量影响，提高了器件固有频率的计算精度，计算结果更接近于a n s y s 分析结果。最质由摸拟分拆数据得出该加速度计的优化结构参数。 第三章详细论述了铰链式结构加速度传感器芯片的版图设计和制作工艺流程。 第四章对加速度传感器的封装结构进行了有限元模拟分析，从模态和静态角度分 析了灌封对加速度计性能的影响。 关键词：激电子枫械系统，羼疆式，频率分析，灵敏度分帮亍，模态分析 1 | 、毒 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , s i l i c o n m i c r o m a c h i n e d a c c e l e m m e t e r sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fs e n s i n go fa u t o m o b i l ec r a s h e s ， c o n t r o lo fv e h i c l ed y n a m i c s , a n dh i g h g - f o r c ei m p a c ta s s e s s m e n t t h ev i t a lm e m s a c c e l e r o m e t e r sm a d eb yt h em i c r e e l e c t r o n i c sa n dm i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g yh a v em a n y a d v a n t a g e so v e rt h ec o n v e n t i o n a lo n e sa n dh a v eb e e nah o tc h o i c ef o rr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n t h eh i g h - gm i c r o m a c h i n e dp i e z o r e s i s t i v ea c c e l e r o m e t e r su s u a l l yn e e dw i d e r b a n d w i d t ht h a nl o wr a n g ep i e z o r e s i s t i v ea c c e l e r o m e t e r s f o re x a m p l e ，t h eh i g h e s tl o a d a c c e l e r a t i o no ft h e s es e n s o r sc a nb ea sh i i g ha st e n so ft h o u s a n d so fg r a v i t i e s ，t h es e n s i t i v i t y i so 2 o 4 i v g , a n dt h ei n s t a l l a t i o nf r e q u e n c yc a nr e a c ht h em a g n i t u d eo fm h z an e wh i n g e dm i c r o m a c h i n e dp i e z o r e s i s t i v eh i g h - ga e c e l e r o m e t e ri s d e s i g n e da n d m o d e l e di nt h i sp a p e r an o v e ls t r u c t u r ed e s i g nc a ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h es e n s o r s n a t u r a lf r e q u e n c yw h i l em a i n t a i n i n gah i g hs e n s i t i v i t y , s ot h ew a v es h a p eo fs h o c k a c c e l e r a t i o nc a nb et r u l yr e f l e c t e di nb r o a d e rb a n d w i d t h p r e s e n t e di nt h i sp a p e bi st h e d e s i g n , t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o n f i g u r a t i o n so p t i m i z a t i o n ，f a b r i c a t i o na n ds i m u l a t i o no ft h e p a c k a g i n gs t r u c t u r eo ft h ea c c e l e r o m e t e r i nc h a p t e r2 ，t h em e c h a n i s mo ft h es e n s o ri s d i s c u s s e di nd e t a i l t h e nas i m p l i f i e da n a l y t i c a lm o d e la n dai m p r o v e da n a l y t i c a lm o d e li s e s t a b l i s h e dt od e s c r i b et h ea c c e l e r o m e t e r sm e c h a n i c a lb e h a v i o u r f i n i t ee l e m e n t m o d e l l i n gw a sa l s oc o n d u c t e dt ov e r i f yt w oa n a l y t i c a lm o d e l sa n de v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo ft h em i c r o - a c c e l e r o m e t e r i nt h ei m p r o v e da n a l y s i s , t h ee f f e c t st h a tt h em a s s o fb e a ma n dh i n g ea n dt h ed e f o r m a t i o no ft h em a s sh a v eo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h e a x c c e l e r o m e t e rh a v eb e e nt a k e ni n t oa c c o u n t c o m p a r i s o no ft h ef r e q u e n c yr e s u l t so b t a i n e d f r o mt h ei m p r o v e da n a l y t i c a lm o d e la n df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns h o w sg o o d a g r e e m e n t f i n a l l y , t h eo p t i m a ls e l e c t i o no ft h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so ft h ea c c e l e r o m e t e rw a s o b t a i n e df r o mt h ea n a l y s i s i nc h a p t e r3 ，l a y o u td e s i g no f t h es e n s o r s c h i pa n dt h ep r o c e s sw a se l a b o r a t e d i n c h a p t e r4 t h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h e p a c k a g i n g s t r u c t u r ef o rt h e a c c e l e r o m e t e r , i n c l u d i n gt h em o d a la n a l y s i s ，s t a t i ca n a l y s i so ft h ee f f e c to fe l a s t i cm o d u l u s o ft h ep o r i n gr e s i ni nt h ep a c k a g eo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea c c e l e r o m e t e r sw e r e c o n d u c t e d k e y w o r d s ：m e m s ；p i e z o r e s i s t i v e ；f r e q u e n c ya n a l y s i s ；s e n s i t i v i t ya n a l y s i s ；m o d a l a n a l y s i s 1，- 酷号照强。址 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所矧 皆文中特别加以标注和致谢韵地方外，论文中不靓禽其他人跫缝发表或撰写过的研究成粜，也不蚓 获褥澌燕塞堂或其绝教育搬稳鲍学位或诞书两经锺过鹣毒毒料。与我一瞬二作懿舞恚j ：尊零磋究癣 钲何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 攀位论文雅者签名：云签字目期：婚5 年；月嚣释 学位论文版权使用授权书 本学饿论文作者完全了解澌鎏表龟奏关徐辫、使用学位论文翡娴定，眷授保留著囱蓬家畜 门或机构遴交论文的复印件和磁盘，允许论文被套阅和借阅。本人授权。逝鎏叁鲎可以将学位论文 部或韶分内容编a 存关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复利手段保存、瓶编学位论j ( 保密戆学夔埝文京解密后适j ； l 零授毂_ 书) 学位论文作者签名：争强 导9 雨签名：馋吞旋 签字匪期：渺6 年6 旁匮签字鞠鬻：母酶；胃争丑 学位论文作者毕篮茬去l 每 工作单位； 遵嘏她蛙： 电谗： 女# 缡： 第一章引言 第一章引言 加速度传感器广泛应用于各类运动过程的监控系统中【l l ，它是一种重要的力学量 传感器，是最早受到研究的微机械惯性传感器之一用硅片制作微型加速度传感器的 研究与开发始于2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初。1 9 7 9 年，由r o m a n c e 和a n g e l l 2 l 报 道了第一篇关于在硅片上利用平面工艺的微机械加工技术制作的加速度传感器，标志 着加速度传感器的发展进入了一个新的阶段。目前，m e m s ( m i c r o e l e c t r o n c - m e c h a n i c a ls y s t e m ，微电子机械系统) 的术语已非常流行。微电子和微机械加工技术 结合的m e m s 技术，为传感器的发展注入了新的活力。小型化、智能化、集成性也 已成为加速度传感器的发展方向。本章将简单介绍微电子机械系统，并对m e m s 加 速度传感器的工作原理及其在国内外的发展进行概述，由此得到铰链式高量程加速度 传感器设计思想的来源和依据。 1 1m e m s ( 微电子机械系统) 简介 m e m s ( 微电子机械系统) ，或微系统。兴起于2 0 世纪8 0 年代后期，其含义十 分广泛。一般可定义为由微米( 1 0 6 m ) 和纳米( 1 0 9 m ) 加工技术制作而成的，是 以微传感器、微执行器以及驱动和控制电路为基本元器件组成的，自动性能高的、可 以活动和控制的、机电合一的微机械装置1 3 l 。图1 1 给出了一个典型的m e m s 系统与 外部世界相互作用的示意图。 i 力l i _ j 传 执 口 n i _ j 感行 陌习 i - j 网 i - j 与其他微系统的通讯，接口 徘 嚣器 ( 光，电，磁) 感测量控制量 图1 1 典型的m e m s 系统与外部世界相互作用示意图 一般认为，微电子机械系统( m e m s ) 的研究范围比较广泛，包罗万剔4 】。从机 械领域的敏感运动以及运动产生、信息领域的反射和开关光及电磁波，到生物医学领 域的对细胞、神经原的操作，以及在科学研究领域作为微观尺度的操作手段等等， 第一章引言 m e m s 无疑具备多学科( m u l t i d i s c i p l i n a ) 和广泛应用能力( e n a b l i n g ) 。因此m e m s 被认为是继信息技术、生物技术、高新材料技术之后的2 1 世纪第四大技术，是一个 非常重要的科学基础工程领域。 微机械从出现到现在已发展了近半个世纪，人们在微型机械、微动力机械、微结 构传感器和包括微型机器人在内的微机械电子系统等的材料、制造工艺和相应力学等 方面都取得了可喜成绩。同时，m e m s 产品的体积小、重量轻、可批量生产、低成本、 可与i c 实现系统集成等优势，已经使得它在信息技术、生物医学技术、汽车工业以及 军事领域中得到巨大的应用，出现了一系列的m e m s 产品，如硬盘驱动器、喷墨头、 光反射器、全息数据存储器、陀螺仪、压力传感器、加速度计、微陀螺等。在m e m s 产业方面，资料【5 1 显示，1 9 9 6 年及其后几年的全球微系统销售总额为1 6 7 5 亿2 9 4 0 亿美元，主要产品包括：惯性m e m s 器件、微流量系统、压力测量器件、读写头以 及光学系统和r f 微系统等，其中用于汽车和信息产业的m e m s 居主导地位，占m e m s 市场销售总额的8 2 8 4 ，并被几个大公司垄断：如a d 公司的气囊加速度计，通 用汽车公司等汽车厂商的汽车压力传感器，n o v a 敏感器件公司的医疗压力传感器， h p 公司的喷墨打印头，i b m 公司的读写头。2 0 0 5 年m e m s 销售额达6 8 亿美元【6 l ， 年增长率为2 0 。 目前，国际上对m e m s 产业给予了高度重视，发达国家都有自己的发展规划【刀。 美国政府将微电子机械系统列为“在经济繁荣和国防安全两方面都至关重要的技术”， 国家自然科学基金会和国防部先进研究计划署都有专门研究规划，并专门建设了好几 条共享的m e m s 加工线。许多大企业如m m 、朗迅等公司均对微系统投入了巨资。 日本和欧洲国家也不例外。随着m e m s 研究的迸一步深入和相关领域、产业的迅速 发展，m e m s 将会在更宽广的领域里显示出自身深远的价值，并由此带来人类生活 的新巨变1 8 9 1 。 1 2m e m s 加速度传感器的工作原理 在振动测量中，把被测的振动力学参数转换成电学参数，以便于信号的测量传 递，变换分析和保存的装置称为测振传感器。测振传感器的种类很多，按被测物理 量来分有位移传感器速度传感器和加速度传感 器三种。无论那种测振传感器，其主要功能都是保 证系统的信号输出能精确地反映信号输入，即能正 确地反映被测对象的振动规律【l o l 。下面我们将通过 加速度传感器的力学分析来简要论证为何加速度 传感器被广泛地用作振动测量。 m e m s 加速度传感器的力学模型如图1 2 所 示，m 为惯性质量块的质量，k 为弹簧刚度，c 为 图1 2 加速度传感器力学模型 2 第一章引言 粘性阻尼系数。传感器的壳体固定在被测振动体上。当被测振动体振动时，壳体相对 于静基准位移为五，被测加速度即为葺；惯性质量块相对于壳体的相对位移为， 相对于静基准的绝对位移为。根据牛顿第二定律【1 1 l ，振动质量块册在整个运动中 的力学表达式为： 肌争+ c ( 誓每) + 置k 训一o m - ) 考察质量块m 相对于壳体的相对运动，质量块的相对位移为，- x o 一葺。从而上式可 改写为： 臃争+ c 鲁+ 。一喇争 ( ，- 2 ) 假设初始条件为工。，( o ) o 和岛，( o ) t 0 ，将式( 1 - 2 ) 进行拉氏变换，得到加速度传 感器的传递函数为日o ) - 磊f - i m j $ ；2 瓦，其幅频特性和相频特征分别表达为： 荆。糟。习震蕊1 ( 1 - 3 ) y。 鸳( 竺) 2 烈一怫高 0 4 ) 式中：亭_ g 一，为惯性系统的阻尼比；吐。墨，为惯性系统的固有频率；工。 如： 2 m k 1 v m 一 为被测振动的加速度值。由此可见，加速度传感器的正确响应条件是罗乞t t 1 。 因此，仅当加速度传感器的固有频率远大于测振频率时，才能使传感器获得的信 号不会产生幅值和相位上的失真。此时，质量块9 相对于壳体的相对运动与被测加 速度成正比，因此可用于壳体振动的检测。 1 3m e m s 加速度传感器的优点 随着计算机技术和自动化技术的飞速发展，要求捕获和处理信息的能力日益增 强，对加速度传感器性能指标的也要求越来越严格。金属应变片等传统的传感器已很 难满足要求。下面将简要分析m e m s 加速度传感器相对于传统加速度计的优点。 3 第一章引言 1 、灵敏度系数高 加速度传感器在进行由非电量到电量的转换时，一般需要弹性敏感材料先将被测 非电量转换为易于转换成电量的非电量( 应变或者位移) ，然后再利用传感元件，将 这些非电量转换为电量。传统的金属应变片加速度传感器，是利用金属应变片受到拉 伸( 或压缩) 时电阻发生变化的原理工作的，敏感材料是金属，传感元件是应变片， 其灵敏度相当低，灵敏度系数在1 5 3 范围内【1 2 1 。1 9 5 4 年，史密斯发现硅等半导体 材料的压阻效应。1 9 5 8 年研制成半导体应变片，其敏感材料是半导体材料硅，传感 元件利用的是硅的压阻效应，硅的压阻效应决定了硅材料传感器具有较高的灵敏度系 数，其灵敏度系数要高于1 0 0 。硅被用来作为敏感材料，还因为它优异的力学性质， 它的比强度高于钢，而且几乎无蠕变1 1 3 , 1 4 。 2 、小尺寸、轻质量和宽频带 集成化的工艺，使m e m s 传感器具有较小的尺寸和较轻的质量，为传感器的安 装和使用带来了极大的方便。极小的结构尺寸可以使传感器安装在任何需要检测的位 置，而且轻的质量几乎不会改变被检测系统的性能。另外，随着尺寸的减小，m e m s 加速度传感器具有了较高的固有频率，可以用于剧烈的高冲击和振动场合。 3 、器件的阻尼特征得到更好地控制 适当的阻尼可以大大提高加速度传感器系统的动态性斛1 5 1 。因此，如何控制和得 到适当的阻尼也是传感器设计中一个重要问题。传统的传感器一般是利用硅油等液体 来控制阻尼，但是液体阻尼存在着较大温度系数的缺点。随着m e m s 加速度传感器 尺寸的缩小，器件的表面积和体积之比却随着尺寸减小而增大【1 6 r 丌，阻尼比将按比率 增大，而且空气阻尼具有较好的温度系数，因此，可以利用空气阻尼来更好地控制传 感器的阻尼特性。 4 、系统级集成化和智能化 随着硅集成电路和微机械加工技术的发展，已经成功地实现了传感器与其后的各 种电路进行集成，这不仅大大提高了传感器性能，降低了生产成本，还可以消除传感 器结构中的一些不可靠因素。例如，传统结构的传感器的传输线所受的各种干扰。这 对于电容式结构传感器具有重要的意义。而且随着微电子技术和微机械加工技术的发 展，m e m s 加速度传感器的微型化和集成化特点，也使得制造成本越来越低。 综上所述，m e m s 加速度传感器具有高精度、宽频、动态、小尺寸、轻质量以 及成本低的优点，因此被广泛地用于检测外界的振动和冲击。 4 第一章引言 1 4m e m s 加速度传感器在国内外的发展 m e m s 加速度传感器的基本结构是利用在i c 工艺和i c 工艺基础上发展起来的 硅片上块体微机械加工技术，制作可动质量块结构，该质量块可以感知加速度的变化， 并相对于固定件作偏离原平衡点的运动；通过特殊设计的外围电路将其转换为有效的 电信号输出：标定输出电信号与加速度的对应关系后，即可测量加速度的大小。按感 知偏离平衡的物理机制，微机械加速度传感器大致可以分为以下几种：压阻式、压电 式、谐振器式、电容式、热电偶式、光纤式和电磁式等。随着对硅微加速度计原理研 究的深入以及工艺实现的多样性，硅微加速度传感器的种类日益繁多，各种应用于不 同场合下的硅微加速度计不断投放市场，对硅微加速度计的研究也越来越受到人们的 重视。下面将就几种m e m s 加速度传感器在国内外的发展概况进行综述。 1 4 1 压电式加速度传感器1 1 8 2 2 1 压电式加速度传感器采用与压阻式类似的结构，由压电材料替代压阻材料去敏感 加速度的变化，如压电晶体，聚合物薄膜或压电陶瓷等对压力敏感的材料：z n o ，a i n 和p z t 等，同样可以达到测量加速度的目的。图1 3 是典型的压电式加速度传感器结 构l 驯。压电元件实际上可以等效为一个电容器，因此存在高内阻和小功率的问题，通 过精心设计的外围电路可以提高其响应精度，得到类似直流的输出信号。但由于这类 材料的漏电流效应和热电效应的影响，这类器件一般无法用于测量静态加速度的大 小，从而限制了它的应用范围。此类加速度传感器的造价较高也是其不足之处。 1 4 2 声表面波加速度传感器 声表面波传感器的研制始于8 0 年代。尽管它还未真正地实用化，但由于其具有 高精度和高灵敏度，具有频率输出，适应数字化要求和容易集成的特点，因而受到人 们的重视1 2 3 1 。文献 2 4 1 提到一种用于无线的声表面波传感器，如图1 4 所示。它的工 作原理是在受到加速度作用的情况下，反射器产生振动，从而反射叉指换能器产生的 图1 3 典型的压电式加速度计图1 4 声表面波传感器 5 第一章引言 声表面波，根据反射后的声表面波和产生的声表面的相移即可得到外界的加速度值。 1 4 3 隧穿式加速度传感器 图1 5 是一种利用电子隧道效应制作的传感器，该结构传感器具有极高的灵敏度、 固有频率和测量精度；且其低频噪音特性不同于一般的电容结构由1 俨决定，而由l f 决定，其本征噪声要低于1 c g h z 坭【辱捌。如图1 5 所示，在可动质量块顶端制作一 个溅射了金膜的硅锥体( t u n n e l i n gt i p ) ，硅针和作为被动电极的宽悬臂梁之间产生电 子隧穿效应。可动质量块在加速度作用下产生微小位移，硅针与被动电极之间的距离 因此发生变化，隧穿电流大小也随之改变。为使隧穿电流保持恒定，可在宽悬臂梁下 的固定电极上加一反馈电压；在静电力作用下，宽悬臂梁沿质量块位移方向运动，使 硅针与宽悬臂梁之间的距离恢复到初始状态，所加的反馈电压与加速度对应。该结构 的优点在于，保持了质量块系统的高灵敏度，并避免了质量块因为灵敏度提高而使固 有频率下降的问题，因为此时决定系统固有频率是跟随质量块运动的悬臂梁，可以设 计很高的固有频率；而且其反馈电路要比电容式加速度传感器的简单例。 p m o f m a “t 虹h 耐e 砘n 萨 1 4 4 电容式加速度传感器 图1 5 隧穿式加速度传感器 电容式加速度传感器是通过检测电容的变化来获得输入的加速度值。由可动质量 块构成可变电容的一个可动电极，当质量块受到加速度的作用而产生位移时，固定电 极和可动电极之间的电容量发生改变，将这种变化量用外围电路检测出来即可获得加 速度值的大小。相对于其他类型的传感器而言，电容式加速度传感器具有温度效应小， 重复性好，低功耗，结构简单，并且能在高温辐射等恶劣条件下工作的优点【3 0 1 。 图1 6 所示的加速度传感器是由摩托罗拉公司开发1 3 l l ，2 0 0 0 年投入生产，采用开 环工作方式，满量程为5 0 9 ，5 v 供电下灵敏度为5 0 m v g 。由于采用表面微机械工艺 加工而成，它具有较小的质量块，致使有较大的机械热噪声和较小的灵敏度。对于该 结构传感器，为了提高灵敏度，可以减小平行板之间的距离和增大平行板的面积。然 而减小平行板之间的距离一方面减小了器件的动态工作范围；另一方面，过小的间隙 容易引起静电吸合现象，还容易导致较大的压膜阻尼，这就需要用挖阻尼孔的方法来 6 第一章引言 降低阻尼，从而大大增加了工艺难度。为了避免这些缺点，文献 3 2 1 给出了基于体加 工的变面积的叉指检测的电容式加速度传感器，如图1 7 所示。由于其采用体加工技 术加工而成，具有较大的质量块，提高了器件的灵敏度；变面积的检测使得器件的工 作范围不受检测电极之间的间隙的限制而且大大提高了吸合电压；器件的滑膜阻尼较 小，大大提高了0 值。但是，由于采用了硅玻璃键合技术，不可避免的具有较高的 温度系数。为了克服这个缺点，文献 3 3 】提出了一种全硅的对称的高精度加速度传感 器结构。如图1 8 所示，它采用表面加工技术和体加工技术，用深槽填充多晶硅技术 来做电极，具有亚微g 的分辨率。 图1 6 摩托罗拉开发电容式加速度计图1 7 扭转结构加速度传感器 图1 8 基于全硅的高精度加速度传感器 电容式加速度传感器还可分为力平衡式与非力平衡式【刈，如果外围电路仅具有测 量电容的功能，而不含有产生反馈力的功能，则为非力平衡式传感器：采用力平衡式 的加速度传感器，当其质量块受加速度作用而偏离平衡位置后，由外围电路产生一个 与质量块运动趋势方向相反的电磁力或静电力，促使质量块回到平衡位置。该反馈力 的大小随质量块的偏离距离的增加而增大。提供这种平衡力所需的能量通过输入电压 或输入电流的大小反映出来，检测输入电压或输入电流的变化也可以测量加速度的 值。力平衡式加速度传感器的测量精度高，重复性好，只是在设计制造上要比其它非 7 第一章引言 力平衡传感器复杂一些，因而成本较高。 1 4 5 压阻式加速度传感器 压阻式加速度传感器是最常用的类型之一，它是以半导体的压阻效应为基础，常 用结构是梁岛结构，岛即振动质量块，它一般通过悬臂梁或双端固支梁支撑悬挂，通 过离子注入或扩散工艺在梁上沿 晶向制作压敏电阻。当传感器受到加速度惯性 力作用时，振动质量块产生偏移，带动支撑梁发生扭曲或弯曲等变形，在电阻中产生 应力变化，由于半导体的压阻效应，使压敏电阻值发生变化，利用适当的外围电路将 这种变化转换为可测量信号如电压、电流等形式输出，经过标定即可建立输出信号与 被测加速度之间的关系，从而测量加速度。压阻式加速度传感器的优点在于动态响应 特性及输出线性较好，成本低、工艺简单、接口电路简单，且抗过载能力强。缺点在 于压敏电阻属于温度型器件，受温度影响较大：为了提高器件的灵敏度，压敏电阻一 般设计成惠斯登电桥结构，可消除一部分的温度效应。此外，在加工过程中残留在梁 上和基座上的应力分布会对压敏电阻产生影响。由于压阻式加速度传感器的特点，使 其成为高量程微加速度传感器设计的酋选。下面就压阻式传感器在国内外的发展进行 综述。 图1 9 a 所示的是由斯坦福大学的r o y l a n c e 和a n g c u 【2 】成功研制的第一个硅压阻 式加速度传感器原型。该加速度计采用的是悬臂梁结构和半桥电路，具有灵敏度高， 固有频率低和封装应力小的特点文献 3 5 1 报道了一种用硅微机械和扩散技术制作的 高g 值悬臂梁结构的加速度传感器，该加速度计无论是在静态还是在冲击环境下， a 第一个压阻式加建度计( 悬臂粱结构) m e z 6 r e $ 1 0 t o r # b 取粱岛结构 c 五粱双岛结构 图1 9 压阻式加速度计的常见结构 8 第一章引言 均能承受1 0 0 0 0 9 的加速度冲击。冲击和静态实验结果都能很好地体现其线性响应的 特点，其灵敏度分别为0 7 z c v g 和0 6 6 # v g ，平均响应频率达1 0 7 k h z 。图1 9 b 、c 所示的双梁岛和五梁双岛结构1 3 6 3 7 也是常见的压阻式加速度计结构，这些结构的提出 主要是为了改善悬臂梁结构的横向灵敏度问题，悬臂梁结构加速度计的横向灵敏度常 常高达1 0 2 0 1 1 6 1 。对于五梁双岛结构，由于敏感电阻均集中在中同梁上，并且中 间梁上的应力处处相等，这就降低了背面光刻套准工艺的要求。 在一些如高温、高电磁场的特殊应用场合和环境，对常规的硅基传感器提出了考 验，而碳化硅的半导体特性使它在这种场合下有着巨大的应用前景。文献【3 8 】设计的 单晶6 h - s i c 压阻式加速度传感器，可承受4 0 ，0 0 0 9 的加速度冲击，其灵敏度范围为 5 0 到3 4 3 n v g 。 随着传感器在工业上的应用越来越广泛，加速度计的性能要求也越来越高，加速 度计的量程也越来越广，从低量程( 小到l g ) 的汽车a b s 系统到冲击用高量程加速 度传感器 高达2 0 万g ) ，对于不同的量程所要求的指标也不同m 】。例如小量程加速 度计要求高灵敏度、线性度和不同程度的带宽( 根据不同需求) ，高量程加速度计则 要求带宽比较宽。随着微加工工艺的成熟以及对高性能器件的要求，新的压阻式结构 也脱颖而出。 图1 1 0e n d e v c o 高灵敏度宽频带加速度计 图1 - 1 1 高灵敏度宽频带加速度计 图1 1 3 侧面扩硼结构加速度传感器 9 第一章引言 图1 1 0 所示的是e n d e v c o 公司的三梁横向加速度传感器i 弘3 9 1 。其设计出发点是 结合拉伸运动和弯曲运动的优点，弯曲运动具有较大的位移，应变却较小，而拉伸运 动可在很小的横截面情况下获得较大的应力。该结构由基底、芯片和盖板三部分组成， 核心芯片由铰链弹簧、惯性质量块和敏感电阻组成。其中梁厚仅0 缸m 、长4 2 z m ， 整个梁都用作压敏电阻。当器件承受加速度时，一个梁承受拉应力而另一个梁承受压 应力，系统的应变能几乎全部集中在小梁上。铰链为一个厚且窄的板，起减少横向灵 敏度的作用；其在敏感方向的刚度很大，从而大大提高了器件的固有频率。由于铰链 - 小梁的杠杆放大作用，使该传感器具有较高的灵敏度，在1 0 v 供电情况下，其灵敏 度高达0 2 5 m v g ，固有频率达2 8 k h z ，抗过载能力超过1 0 ，0 0 0 9 1 3 4 1 。杠杆放大作用的 前提是小梁在受拉( 压) 的作用下必须近似直线运动，因为整个小梁都被用作电阻， 一旦小梁受压出现弯曲，灵敏度将会降低一些。严格地讲，该结构并不是直拉直压的 结构，但是小梁的长度仅4 2 微米，可以近似为直拉直压。 文献 4 0 1 在该结构的基础上提出了如图1 - 1 1 所示的结构，可以说是对该类型结构 的迸一步完善。它的创新点在于该结构在理论上存在小梁直拉直压的可能性，而不用 像图1 1 0 的结构那样必须靠很小的小梁尺寸来实现近似的直拉直压，这样小梁就可 在一般工艺条件下加工。该结构理论模拟5 v 供电时，灵敏度可达1 2 0m v g ，一阶固 有频率达2 9 0 0 h z 。从理论上讲，该性能在目前所有的压阻结构中是最好的。但由于 是利用硅一硅键合的三层结构，加大了工艺的难度。本实验室对该结构进行了新的加 工改进，采用s o i 材料和d r i e 工艺来实现1 4 1 1 ，大大降低了工艺难度，但存在昂贵的 加工成本等问题。 图1 1 2 所示的结构是e n d e v c o 公司开发的7 2 7 0 a 系列高g 冲击加速度传感器， 其采用了上述类似的结构。用霍普金森棒技术进行评估，发现在大于1 0 万g 的情况 下，该加速度计有着很好的线性度和敏感度，并测量了零位漂移以及在应力波下的频 率响应 4 2 1 。它的量程高达1 0 0 ，0 0 0 9 ，且安装固有频率达1 m h z 量级。由于器件具有 对冲击的高可靠性，目前单价达2 6 0 0 多美金。 上述加速度传感器，尽管结构各异，但共同的特点是敏感电阻均分布在硅片的上 表面，这是由加工工艺中的光刻和扩硼决定的。当梁弯曲时，其一侧受拉，另一侧受 压，上表面和下表面对应着最大应力。根据压阻效应，若是能将电阻条做在梁的上下 两个表面，传感器的灵敏度将会提高。随着离子注入和扩硼技术的发展，侧面扩硼传 感器成为可能。图1 1 3 所示的便是斯坦福大学开发的横向侧壁敏感加速度传感器， 它的灵敏度为1 m 、，g ，固有频率为8 7 0 h z 4 3 1 。 加速度传感器的两个最重要的指标是固有频率和灵敏度，但这两个指标是相互矛 盾的，即频率高则灵敏度低，频率低则灵敏度高。因此纵观压阻式加速度传感器的发 展，从最早的悬臂梁结构到现在的三梁结构，传感器开发者无不围绕着怎样保持器件 灵敏度的同时使其具有较高固有频率的宗旨而苦思冥想。表1 1 是对论文所提及的几 1 0 第一章引言 种压阻式加速度传感器的比较m 。 表l 1 论文所提及的几种压阻式加速度传感器的比较 结构类型 悬雠双端瞰双质量块篙硅羹萎龛三篓d 结r 构i e 侧壁拥 结构特点 一粱一 梁2 小羹1 大一”大2 小羹1 大侧壁扩硼 检测方向纵向纵向纵向横向横向横向横向 灵敏度高低较高高 最高 最高较高 固有频率低高较高较高较高较高较低 横向效应大较小小小小小较小 简单，( 1 0 0 ) 简单，( 1 0 0 ) 简单，( 1 0 0 ) 较难，( 1 1 0 ) 较难( 1 0 0 ) s o l 材料 较难，( 1 0 0 ) 加工要求 硅片腐蚀硅片腐蚀硅片腐蚀硅片腐蚀硅片键合d r i e 刻蚀硅片d r i e 1 5 本论文主要内容 随着科技的发展，加速度传感器在工业应用中得到越来越广泛的应用，比如设备 的振动检测。传统的传感器已很难满足要求，而采用微机械加工手段和微电子批量生 产方式制作的m e m s 加速度传感器，具有体积小、成本低、功耗低、精度高、可靠 性高、易于批量生产等优势，因此有极强的市场竞争力，具有广泛的军事和民用前景。 由于压阻式加速度传感器具有线性度好、外围电路简单、抗过载能力强等优点，因而 本论文的高量程微加速度传感器设计选用压阻式设计。 在强烈振动和高冲击场合需要一定高量程的加速度传感器。为确保传感器在工作 中免于损坏、能够正常工作，要求传感器具有很宽的频带；但加速度传感器固有频率 和灵敏度这两个指标问的关系是相互矛盾的。因此在设计高量程冲击微加速度传感器 时，为在保持传感器灵敏度的同时又提高其固有频率，就需要提出创新的结构。 本论文将提出一种铰链式结构的压阻式加速度传感器，该结构可使传感器在保持 一定灵敏度的同时大大提高固有频率，从而在更宽的频带内真实地反映冲击过程的加 速度波形。本论文将对该加速度计的设计、结构优化、工艺及封装进行研究。论文的 主要内容包括： 第一章为引言部分，首先简单介绍微电子机械系统，然后对m e m s 加速度传感 器的工作原理及其在国内外的发展进行概述，由此得到铰链式高量程加速度传感器设 计思想的来源和依据。 第二章详细论述铰链式高量程加速度传感器的工作原理，建立简化模型和改进模 型分析该加速度计的力学性能，并用a n s y s 模拟验证两种模型的计算结果。最后由 模拟分析数据得出该加速度计的优化结构参数。 1 1 第一章引言 第三章详细论述铰链式结构加速度传感器芯片的版图设计和制作工艺，并对流片 中遇到的问题进行分析。 第四章对加速度传感器的封装结构进行有限元模拟分析，从模态和静态角度分析 灌封对加速度计模态和静态性能的影响。 第五章对主要研究工作进行总结。 第二章铰链式高量程加速度传感嚣的结构和1 = 作原理 第二章铰链式高量程加速度传感器的结构和工作原理 2 1 引言 加速度传感器广泛应用于各类运动过程的监控系统中【1 1 。在强烈振动、高冲击场 合，需要一定高量程的加速度计1 3 5 1 。简单结构的加速度计一般由梁和质量块组成， 常见的有悬臂梁岛( 质量块) 结构或双端固支梁( 桥) 岛结构【4 5 i 。加速度计的两个 最重要的参数指标是固有频率和灵敏度。对于惯性质量块的振动方程 j ，i + 西+ h 一厂o ) 1 1 j ，式中的m 为惯性质量块质量，c 为阻尼系数，k 为弹性常数， 厂( f ) 为系统所受外力；系统的固有频率为，一七加，而静态灵敏度为 s - m 肛- 】m ，2 。因此固有频率和灵敏度这两个指标间的关系往往是相互矛盾的1 4 5 1 ： 固有频率高则其灵敏度低，固有频率低则灵敏度高。悬臂梁岛结构的加速度计一般 拥有较高的灵敏度，其缺点是横向灵敏度高，固有频率低；双端固支梁岛结构的加 速度计因其结构上的对称性消除了横向灵敏度，且其固有频率较高，但灵敏度却大 大低于悬臂梁岛结构的加速度计【鲫。 2351 1 锚区2 敏感粱锚区3 质量块4 敏感粱5 墩链6 r 片二7 硅片一8 膻变电阻 ( a ) 图2 1 铰链式加速度传感器的结构示意图 r 3 矗 r i r 2 第二章铰链武商量程加速度传感器的结构和工作原理 本章提出一种铰链式结构的高量程加速度传感器，该结构可使加速度传感器在 保持一定灵敏度的情况下大大提高器件固有频率，从而在更宽的频带内真实地反映 冲击过程的加速度波形。 2 2 传感器的结构 为提高加速度计的性能，本文采用双端固支梁岛结构，并采用硅硅键合的方法， 在敏感结构上增加一铰链；由于该结构的敏感方向为z 向，器件固有频率主要由铰 链来决定，因而该结构的固有频率非常高。并使应力基本集中在敏感梁上，因此可 通过调节敏感梁的结构参数，使器件在拥有高频率的同时仍然保持一定的灵敏度， 灵敏度不致于过低。铰链式加速度传感器的结构示意图如图2 1 所示。器件主要由敏 感梁、铰链、质量块组成，应变电阻做在敏感梁上。 图2 1 ( a ) 所示器件的结构特征是：( 1 ) 结构在并和y 方向上是对称的；( 2 ) 敏感 梁上的四个应变电阻对称排列，四个电阻组成一个惠斯登电桥，如图2 1 ( d ) 所示。当 传感器受到加速度作用时，在惯性力作用下，质量块相对于基片运动，造成敏感梁 的变形，由于硅的压阻效应，各应变电阻电阻率发生变化，电桥失衡，输出电压发 生变化，定标后即可测量出传感器受到的加速度值。 由于敏感梁的挠曲与响应的加速度成正比，所以输出端的信号也呈线性。上下 盖板和传感器芯片之间的间隙中的空气阻尼确定了传感器的动态特性。传感器工作 的稳定性主要由传感器的温度漂移特性决定，需要作外部补偿。 2 3 传感器的工作原理 为分析传感器器件的工作原理，采用如图2 2 所示的简化模型： 0 l i l 瓦一l 1 瓦 o 五1 1 函i 瓦 图2 2 铰链式结构的分析模型及其坐标 器件的尺寸说明：敏感梁、铰链和质量块的宽度均为b ，长度分别为工l 、工2 和 彳，厚度分别为 1 、_ 1 1 2 和风硅片一和硅片二的厚度分别为研和壬如；质量块总质量 为川。敏感电阻安置在敏感梁与敏感锚区以及敏感梁与质量块交界处附近，并由铝 布线构成惠斯登电桥。 在硅片一中，与敏感梁相连的锚区段分为两部分，其中一部分与硅片二的锚区 键合，两者可视为一体；另一部分位于铰链上方，与铰链问有几pm 的间隙，这里将 1 4 第二章铰链式高量程加速度传感器的结构和工作原理 其称作敏感梁锚区。若敏感梁锚区的厚度较小，亦即硅片一厚度小，则敏感梁锚区 刚性不足，在惯性力作用下其挠曲变形较大，就不可忽略。但是以下的分析计算， 是在敏感梁锚区的刚性足够、忽略其挠曲变形的假设下进行的；之后将对结果进行 反证，考察使假设条件成立时敏感梁锚区的尺寸限制。 器件的受力说明：在加速度a 的作用下，敏感梁在固定端处的约束力和约束力 矩分别为n 和珊l ，铰链固定端处的约束力和约束力矩分别为，2 和m 2 。 分析计算：假设敏感梁和铰链都是双端固支的。 由于质量块两边的结构在敏感梁的方向上是对称的，所以由法向惯性力 h a 引起 的质量块运动类似于活塞运动。所以在计算过程中，可以只对质量块一边的敏感梁 和铰链进行分析计算【1 6 】。质量块相对于敏感梁和铰链来说，其刚性较大，其法向变 形可忽略不计；当传感器受到加速度a 的作用时，梁和铰链在与质量块交界处的挠 曲变形量相等。且质量块是由两边的敏感梁和铰链共同支撑的，因此质量块每边的 支撑力之和为0 5 m a ，即有： ，t + e 一三脚( 2 - 1 ) 敏感梁部分( o x 上1 ) 和铰链部分( o j 工2 ) 的位移微分方程分别为： 一e m ” ) - 五工- m 1( o 白工1 ) ( 2 - 2 ) 一e 2 w 2 ”0 ) - ，2 j - m 2(oj上2)(2-3) 式中， 和忌分别为敏感梁和铰链的惯性力矩，且有，l - - 蚰i f ? 、，2 - 鲁，e 为硅材 料的杨氏模量， m o ) 和w ：( s ) 分别是敏感梁和