MEMS微加速度计的设计与性能控制(一)

MEMS微加速度计的设计与性能控制

摘要  目前研究较多、具有良好应用前景的微加速度计是依托微机电系统（MEMS）加工技术制作而成的微加速度计，其中尤以电容式加速度计最为重要。它具有结构较为简单、制作工艺与常规微电子加工工艺兼容、灵敏度高、使用简便等优点。本文针对电容式微加速度计的使用要求，分析其结构和工作原理，对其互补金属-氧化物-半导体（CMOS）的制造工艺特点也做了简要描述。论文主要给出了其核心部件---执行器的设计，定量给出了弹簧的劲度系数、阻尼因子等关键技术指标，并分析了它们对加速度计性能的影响。
关键词  微加速度计，CMOS-MEMS结构，电容，劲度系数，阻尼因子
一  引言
 MEMS是英文Micro Electro Mechanical   Systems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响，它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。 
 随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计（microaccelerometer）就是惯性传感器件的杰出代表。微加速度计的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。结合陀螺仪（用来测角速度），就可以对物体进行精确定位。根据这一原理，人们很早就利用加速度计和陀螺进行轮船，飞机和航天器的导航，近年来，人们又把这项技术用于汽车的自动驾驶和导弹的制导。汽车工业的迅速发展又给加速度计找到了新的应用领域，汽车的防撞气囊（Air Bag）就是利用加速度计来控制的。
 作为最成熟的惯性传感器应用，现在的MEMS加速度计有非常高的集成度，即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。本文将就微加速度计进行初步设计，并对其进行理论分析。 
二  MEMS加速度计的结构模型及其工作原理
2.1  MEMS微加速度计的结构模型
 为了提高加速度计的工作灵敏度，通常采用电容式结构。我们这里所研究的加速度计属于电容式结构的一种；采用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应加速度，其结构如图1所示。图中只画出了一个基本单元。它是利用比较成熟的硅加工工艺在硅片内形成的立体结构（图1只给出其剖面示意图）。图中的质量块是微加速度计的执行器，与质量块相连的是可动臂；与可动臂相对的是固定臂。可动臂和固定臂形成了电容结构，作为微加速度计的感应器。其中的弹簧并非真正的弹簧，而是由硅材料经过立体加工形成的一种力学结构，它在加速度计中的作用相当于弹簧。

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