MEMS微加速度計(jì)的設(shè)計(jì)與性能控制

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摘要 目前研究較多、具有良好應(yīng)用前景的微加速度計(jì)是依托微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加工技術(shù)制作而成的微加速度計(jì)，其中尤以電容式加速度計(jì)最為重要。它具有結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、制作工藝與常規(guī)微電子加工工藝兼容、靈敏度高、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。本文針對(duì)電容式微加速度計(jì)的使用要求，分析其結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)其互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體（CMOS）的制造工藝特點(diǎn)也做了簡(jiǎn)要描述。論文主要給出了其核心部件---執(zhí)行器的設(shè)計(jì)，定量給出了彈簧的勁度系數(shù)、阻尼因子等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，并分析了它們對(duì)加速度計(jì)性能的影響。

關(guān)鍵詞 微加速度計(jì)，CMOS-MEMS結(jié)構(gòu)，電容，勁度系數(shù)，阻尼因子

一 引言
MEMS是英文Micro Electro Mechanical Systems的縮寫，即微電子機(jī)械系統(tǒng)。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)（micro/nanotechnology）基礎(chǔ)上的21世紀(jì)前沿技術(shù)，是指對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù)。它可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部件、電控系統(tǒng)集成為一個(gè)整體單元的微型系統(tǒng)。這種微電子機(jī)械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部的指令采取行動(dòng)。它用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術(shù))相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和微系統(tǒng)。微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型多學(xué)科交叉的技術(shù)，該技術(shù)將對(duì)未來(lái)人類生活產(chǎn)生革命性的影響，它涉及機(jī)械、電子、化學(xué)、物理、光學(xué)、生物、材料等多學(xué)科。
隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，慣性傳感器件在過(guò)去的幾年中成為最成功,應(yīng)用最廣泛的微機(jī)電系統(tǒng)器件之一，而微加速度計(jì)（microaccelerometer）就是慣性傳感器件的杰出代表。微加速度計(jì)的理論基礎(chǔ)就是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理，在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部，速度是無(wú)法測(cè)量的，但卻可以測(cè)量其加速度。如果初速度已知，就可以通過(guò)積分計(jì)算出線速度，進(jìn)而可以計(jì)算出直線位移。結(jié)合陀螺儀（用來(lái)測(cè)角速度），就可以對(duì)物體進(jìn)行精確定位。根據(jù)這一原理，人們很早就利用加速度計(jì)和陀螺進(jìn)行輪船，飛機(jī)和航天器的導(dǎo)航，近年來(lái)，人們又把這項(xiàng)技術(shù)用于汽車的自動(dòng)駕駛和導(dǎo)彈的制導(dǎo)。汽車工業(yè)的迅速發(fā)展又給加速度計(jì)找到了新的應(yīng)用領(lǐng)域，汽車的防撞氣囊（Air Bag）就是利用加速度計(jì)來(lái)控制的。
作為最成熟的慣性傳感器應(yīng)用，現(xiàn)在的MEMS加速度計(jì)有非常高的集成度，即傳感系統(tǒng)與接口線路集成在一個(gè)芯片上。本文將就微加速度計(jì)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行理論分析。
二 MEMS加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)模型及其工作原理
2.1 MEMS微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)模型
為了提高加速度計(jì)的工作靈敏度，通常采用電容式結(jié)構(gòu)。我們這里所研究的加速度計(jì)屬于電容式結(jié)構(gòu)的一種；采用質(zhì)量塊-彈簧-阻尼器系統(tǒng)來(lái)感應(yīng)加速度，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中只畫出了一個(gè)基本單元。它是利用比較成熟的硅加工工藝在硅片內(nèi)形成的立體結(jié)構(gòu)（圖1只給出其剖面示意圖）。圖中的質(zhì)量塊是微加速度計(jì)的執(zhí)行器，與質(zhì)量塊相連的是可動(dòng)臂；與可動(dòng)臂相對(duì)的是固定臂?？蓜?dòng)臂和固定臂形成了電容結(jié)構(gòu)，作為微加速度計(jì)的感應(yīng)器。其中的彈簧并非真正的彈簧，而是由硅材料經(jīng)過(guò)立體加工形成的一種力學(xué)結(jié)構(gòu)，它在加速度計(jì)中的作用相當(dāng)于彈簧。
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