MEMS微加速度計的設計與性能控制(一)

MEMS微加速度計的設計與性能控制

摘要  目前研究較多、具有良好應用前景的微加速度計是依托微機電系統（MEMS）加工技術制作而成的微加速度計，其中尤以電容式加速度計最為重要。它具有結構較為簡單、制作工藝與常規微電子加工工藝兼容、靈敏度高、使用簡便等優點。本文針對電容式微加速度計的使用要求，分析其結構和工作原理，對其互補金屬-氧化物-半導體（CMOS）的制造工藝特點也做了簡要描述。論文主要給出了其核心部件---執行器的設計，定量給出了彈簧的勁度系數、阻尼因子等關鍵技術指標，并分析了它們對加速度計性能的影響。
關鍵詞  微加速度計，CMOS-MEMS結構，電容，勁度系數，阻尼因子
一  引言
 MEMS是英文Micro Electro Mechanical   Systems的縮寫，即微電子機械系統。微電子機械系統(MEMS)技術是建立在微米/納米技術（micro/nanotechnology）基礎上的21世紀前沿技術，是指對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術。它可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元的微型系統。這種微電子機械系統不僅能夠采集、處理與發送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令采取行動。它用微電子技術和微加工技術(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術)相結合的制造工藝，制造出各種性能優異、價格低廉、微型化的傳感器、執行器、驅動器和微系統。微電子機械系統（MEMS）是近年來發展起來的一種新型多學科交叉的技術，該技術將對未來人類生活產生革命性的影響，它涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等多學科。 
 隨著MEMS技術的發展，慣性傳感器件在過去的幾年中成為最成功,應用最廣泛的微機電系統器件之一，而微加速度計（microaccelerometer）就是慣性傳感器件的杰出代表。微加速度計的理論基礎就是牛頓第二定律，根據基本的物理原理，在一個系統內部，速度是無法測量的，但卻可以測量其加速度。如果初速度已知，就可以通過積分計算出線速度，進而可以計算出直線位移。結合陀螺儀（用來測角速度），就可以對物體進行精確定位。根據這一原理，人們很早就利用加速度計和陀螺進行輪船，飛機和航天器的導航，近年來，人們又把這項技術用于汽車的自動駕駛和導彈的制導。汽車工業的迅速發展又給加速度計找到了新的應用領域，汽車的防撞氣囊（Air Bag）就是利用加速度計來控制的。
 作為最成熟的慣性傳感器應用，現在的MEMS加速度計有非常高的集成度，即傳感系統與接口線路集成在一個芯片上。本文將就微加速度計進行初步設計，并對其進行理論分析。 
二  MEMS加速度計的結構模型及其工作原理
2.1  MEMS微加速度計的結構模型
 為了提高加速度計的工作靈敏度，通常采用電容式結構。我們這里所研究的加速度計屬于電容式結構的一種；采用質量塊-彈簧-阻尼器系統來感應加速度，其結構如圖1所示。圖中只畫出了一個基本單元。它是利用比較成熟的硅加工工藝在硅片內形成的立體結構（圖1只給出其剖面示意圖）。圖中的質量塊是微加速度計的執行器，與質量塊相連的是可動臂；與可動臂相對的是固定臂。可動臂和固定臂形成了電容結構，作為微加速度計的感應器。其中的彈簧并非真正的彈簧，而是由硅材料經過立體加工形成的一種力學結構，它在加速度計中的作用相當于彈簧。

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