图1 微加速度计的结构示意图。 2.2 MEMS微加速度计的工作原理 加速度计的工作原理可概述如下:当加速度计连同外界物体(该物体的加速度就是待测的加速度)一起加速运动时,质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制。显然该位移与外界加速度具有一一对应的关系:外界加速度固定时,质量块具有确定的位移;外界加速度变化时(只要变化不是很快),质量块的位移也发生相应的变化。另一方面,当质量块的发生位移时,可动臂和固定臂(即感应器)之间的电容就会发生相应的变化;如果测得感应器输出电压的变化,就等同于测得了执行器(质量块)的位移。既然执行器的位移与待测加速度具有确定的一一对应关系,那么输出电压与外界加速度也就有了确定的关系,即通过输出电压就能测得外界加速度。 具体地说,以Vm表示输入电压信号,Vs表示输出电压,Cs1与Cs2分别表示固定臂与可动臂之间的两个电容(见图2),则输入信号和输出信号之间的关系可表示为: (1) 其中电容与位移之间的关系由电容的定义给出: (2) 其中x是可动臂(执行器)的位移,d是没有加速度时固定臂与悬臂之间的距离。 由(2)式和(1)式可得 (3) 根据力学原理,稳定情况下质量块的力学方程为: (4) k为弹簧的劲度系数,m为质量块的质量。因此,外界加速度与输出电压的关系为: (5) 可见,在加速度计的结构和输入电压确定的情况下,输出电压与加速度呈正比关系。
图2 (a)执行器的力学结构示意图,(b)感应器的电学原理图。 三 MEMS微加速度计的制造工艺 以往的加速度计都是利用传统的机械加工方法制造的,但是这种加速度计的体积大、分量重,应用场合受到很大限制,MEMS技术制造的微加速度计克服了这些缺点。这里以COMS-MEMS加工技术为例,其加工流程大体如下: 如图3所示,经过CMOS浇铸工艺之后就得到如图3(a)的效果,再用CHF3/O2进行各向异性的反应离子刻蚀(reactive ion etch,即RIE)腐蚀掉外层氧化物,得到如图3(b)所示的效果,接下来用SF6/O2来腐蚀体硅,便从衬底上得到微结构,即如图3(c)所示的效果。
图3 CMOS-MEMS加工工艺流程图:(a)经过MOS工艺加工后;(b)经过介质腐蚀工艺后;(c)经过体硅腐蚀工艺后。
图4是微加速度计工艺完成以后芯片的扫描电子显微镜(SEM)照片。
图4 微加速度计芯片的扫描电镜(SEM)照片(a)及其局部放大图(b)。 四 MEMS微加速度计主要性能指标的设计和控制 在加速度变化的动态过程中,质量块的位移是时间的函数。根据牛顿第二定律,质量块的运动由下列二次常微分方来描述 首页 上一页 1 2 3 4 下一页 尾页 2/4/4 相关论文
首页 上一页 1 2 3 4 下一页 尾页 2/4/4