电容式微加速度传感器的现状及研究方向
7 一
电容式般加速度传感器 的现状及研 究方 向——尤 晖 享 川奇 沈连官等
电容式微加速度传感器 的现状及研 究方 向
摘要
综述 j典
并 对这 类传 惑器 的若
关 键词 中国图书 资料 分
究生
现代科技要求加速度传感器廉价 、 性能优越 、
易于大 批量 生产 。在诸 如军工 、 空间 系统 、 学测 科
6
多采用 闭 环方式 。
11 开环立体硅工艺电容式微加速度传感器 .
图 1 开环 立体 硅工 艺 电容 式微 加速 度 传感 是
量等领域 , 需要使用体积小、 重量 轻、 性能稳定的 加速 度 传感 器 。以 传统 加工方 法制 造的 加速度 传
机 械加 工技 术 制 作 的 微加 速度 传感 器 应 运而 生 。 这种 传感 器体 积小 、 重量 轻 、 耗小 、 功 启动 快 、 本 成 低、 可靠性 高 、 易于 实现 数字化 和智 能化“ 。 )而且 , 化 、 于大 批量 生 产 , 的性能 价格 比很高 。可以 适 它 预 见在 不久 的 将 来 , 将在 加速 度 传感 器 市场 中 它
占主导 地 位0 。 ]
.
感器 难 以全 面满足 这些 要求 。于 是应用新 兴 的微
由于 微 机 械 结周 作 精 确 、 复 性好 、 于 集 成 构制 重 易 统一
~~ 一 ~ 一 一
官 作 呐一
微 加速 度 传感器 有压 阻式 、 电容 式 、 电式 等 压
一
图 l 立体硅工 艺电容式徽 加速度传感器 结构
器的 一种典 型 结构 0。敏感 元件 是玻 璃一 硅一 玻 ] 璃的“ 明治 三 结构 , 围用 硅封 装 , 外 整十 芯 片尺 寸
为 8 3Im×5 7ml ×1 9 . T _ , . T . mm。 _ , 中间的单 晶硅 片
形式。 其中, 电容式因具有如下一些特点而受到重
视 ; 很 高 的 灵 敏 度 和 测 量 精 度 } 良好 的稳 定 ① ②
性; ③温度漂移小 ; ④功耗极低 ; 良好的过载保 ⑤ 护能力; ⑥便 于利 用静 电 力进行 自检 。 目前 这类 传
感 器的 测量 范 围一般 为 0 1 ~ 5 , 响 范围为 . g 0g 颡 0 1k , 量精 度 为 0 1 ~ 10 。这 类 传感 ~ Hz测 . 器按 加工 方法 分 , 主要 有立体 硅工 艺式 、 面硅工 表 艺 式 、 I 工 艺式 ; 工作 方式 分 , 开 环 和 闭 LGA 按 有 环 ( 电力平衡 式 ) 静 两种 。本文 将 对这些 传感 器 的 工 作原 理 、 结构 和特 点 加以介 绍 , 并对这 类 传感器
多
制成框 架 、 感质 量块 和悬臂 梁 。 敏 敏感 质量 块和 玻 璃的 内侧面 均沉积 了铝 膜 , 成三 端差 动 电容 , 构 敏 感质量 块 作 活 动 电极 , 两块 玻 璃 作 固定 电极 并 起 过
载保 护作 用 。 电容介质 为空 气 , 改变气 压 可调 节 系统的 阻尼 。两个 固定 电撅上 加 丁反相 调制 电压 u。 一 。 和 当垂 直 于 硅片 方 向的 加 速度 a输 入 时, 惯性 力使 敏感 质量块 偏移 , 下两个 电容 发 生 上 变化, 中间活 动 电极上 产 生检 测信 号 。 经过 采样 / 保 持 、 通滤 波等环 节 , 低 得到输 出 电压
【I= U / ) , md ( () 1
一
的若干关键技术及研究方 向进行探讨。
式 中 , 为检 测 电路 的 增益 ; m为 敏感 质量 ; 为悬
1 立体硅工 艺 电容 武微 加速度传 感器
硅 是制作 无滞 后 弹性 元件 的理想 材料 。利用
臂粱的 刚度 系 数 一。 d 为静 态 电容 间隙 。 显然 , u 与 a成 正 比, 可作 为 a的度 量 。 图2 是一 种完 全 对称结构 的 立体 硅工 艺 电容 式 微加 速度 传感器 “。中 间的敏 感 质量 块 由 8根
各向异性刻蚀 、 阳极键合等硅整体加工技术 , 可在
硅材 料 上 制 出尺 寸 微 小 的 电容 式 加速 度 传感 器 。 其成 本 与 压 阻式 硅 微 加速 度 传 感器 相 近 , 灵 敏 但 度、 分辨 率 、 度 、 精 动态 范 围和 稳 定性 均 忧于 压 阻 式 。 种传 感器 早期 多采用 开环 工作 方式 , 这 现在大
*国家自然科学基盘舞曲璜 目( 9 70 0 64  ̄ 3 )
啦稿 日期 t9 7 l— 2 l9 一 2 9
田 2
对 角分 布 的悬臂梁 支撑 , 只能 上 下平动 , 而减 小 从
・S7 ・
中国 机 械 工 程 l 9 9 8年 第 9 第 1 期 卷 O
了横 向灵 敏度 , 并使 线性误 差 小于 0 5 。 用这 . 采 种 结 构 , 容 极 板 面 积 较 大 , 态 电 容 达 到 1 电 静 0
p; F 传感器也更牢固, 寿命更长。 该传感器的灵敏
.
度 为 1 F g 测量 精度 为 1 一 g 谐 振频 率 为 35 /, p 0 , . k (0 a气 压 下 ) 整个 传 感 器 的尺 寸 为 35 Hz 10P .
mm × 7 0 m m 。 .
I =
蔓
图 4 静电力平 衡式 硅微 加速度传感器原理图
加速度 的度 量 。 用这 种工作 方式 , 采 质量 块 的偏 移 极 小 , 大降 低 了横 向灵敏度 , 大 电容 间隙也 可以做 得很小 。 小的 电容 间隙能大 幅度 提高 灵 敏度 、 极 精 度 和分 辨率 , 线性 和稳 定性也 得到 改 普 , 能提 供 还 气体膜 阻尼 来抑制 结构 的谐 振 。表 1将两 种工 作 方式 的硅微 加速度 传感 器进行 了对 比。
衰 I 静电力平衡式徽加速度传感器与 开环电客式搬加 速度传感器 的
比较
开环电容式硅 僦 加速度传感器 灵敏度高 分辨率高
图 3
电容 式微 加速度 传感器 的灵敏 度与 微结 构的 尺 寸有 关 , 感 质 量块 越 小 或悬 臂 梁 越短 、 厚 , 敏 越
灵 敏度就 越低 。 由于工艺 本身 的 限制 , 体 硅工艺 立
难 以制 出很 薄 的悬 臂 梁 , 在保 证 高 灵 敏度 的前 提 下, 进一 步缩 小传感 器 的尺 寸非常 困难 。 3昕示 图. 薄 膜结构 立 体硅工 艺 电容 式微 加速 度 传感器 [提 5
静 电力平衡式硅微 加速度传感器 灵戢度很高 ( 可达 2 / ) O g 分辨 率很 高( 可达 l ) g 线性度很高
稳 定 性 很 好
精度高 (. ~I ) 精度很 高( OI 可达 o O ) .l 线性度 良好
供 了解决 这个 矛 盾 的一条逾 径 。该传 感器 用于 动 物 运 动 监 测 , 敏 度 为 6 / 体 积 只 有 1mm。 灵 g, , 可植入 动物 体 内 。敏 感质量 块 由一块 四 周张紧 的
麓稳 性 好 定 良
横向灵敏度较低 测量艳 匮较大 工作颉带 窄
工耗 很 小
横 向灵 戢度很低 ( ) <0 5 测量花 圈较 小 工作频带根 窄
功 耗 较 大
薄 膜 支撑 。该 薄膜是 复合 膜, 括氧化 硅层和 包 LC P VD( 低压 化学 气 相 沉积 ) 厚 度不 大 于 10 层, 0
n m。气 相 沉 积膜 一 般 有 较 高 的 内应 力 ( 达 到 可 50M P ) 所 以 在 氧 化 硅 层 上 沉 积 了 两 层 5 a , Lc P vD膜 , 层 膜 的应 力 特 性相 反 , 拉 一 压 , 两 一 使 内应 力相 互抵 消 薄膜 和上 层玻 璃 内侧 镀有 金 属 层 , 成 测量 电容 。电容 间隙 0 5 l脚 最大 形 .~ , 静止 电容 为 4 4p . F。这 种 薄膜 结构 的缺 陷 是 : ① 敏 感 质 量块 与支 撑薄 膜的 质 心远 离 , 向灵 敏度 横 较大 ; 测 量 电容 为单 电容 , 之差 动 电容 , ② 较 灵敏 度 和 线性 较 差 ; 硅 质量 块 与 下 面玻 璃 层 之间有 ③ 寄生 电容 , 响测量 精度 。 影 I2 静 电 力平 衡式 硅微 加速 度传感 器 . 开 环 电容式 微 加速度 传感 器在测 量 时质量块 沿 敏 感 轴方 向的 偏移 较 大 , 时若 有 横 向的 加速 此 度作用, 易使 质量 块 沿交叉 轴方 向扭 转 , 引起交叉 耦 合误 差 。克服这 个 毛病 的一 个办法 是采 用 闭环 工 作方 式 。 电力 平衡 式 就是一 种 闭环工 作方式 , 静 原理见图 4 。敏 感 质量 块 ( 活动 电投 ) 位移 被测 的 量 电容 c.c: 取 , 到 输 出 电压 , 、 拾 得 再反 馈 到 施 力
电极 A-A 上 , 生静 电力 作用 于敏 感 质量 、 产 块。 该静 电力抵 消了惯性 力的作 用 , 质量 块 回到 使 并 保持在 原 位景 , 测量 电容 的输 出保持 为零 。 时 这 反 馈 电压与 被 测 加速 度 成线 性 关 系 , 可作 为被 测
・58 ’
尺寸 很 小 蝴 ’
小 低 较复 杂, 电源 电压 略 高 ( 一
般 为 1V) 5
蝴 域 蓁 医 兰领 学 等
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…
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图 5是一种 典 型的静 电力 平衡式 硅微 加速 度
图 5 扭转结构的静 电力平衡式硅僦加速度传感器
传 感 器 。基 本 结构仍 是玻 璃 一硅 一玻璃 “ 明 ] 三 治 ” 。上 下两块 玻璃 上 沉积 了金属 层 , 式 与中间 的 掺杂 硅 片有 2 m 间 隙 , 成 1 F的差 动 电 容 , 构 0p 既用作 测量 电容 又作施 力 电容 。质量 块 由两根 扭 转轴支 持 , 敏感 垂直 于硅 片方 向的 加速度 。 用 可 采
电容式截加速 度传感器的现状及研究方 向—— 尤
晖 李川奇
沈连官等
这种 扭转 结 构 , 小 的 敏感 质 量就 能 获 得较 高 的 很 灵敏 度 。 因此 中间硅 片做得 很 薄 , 度仅 13 厚 . m,
化和氯化 、 多晶硅沉积和捌蚀 、 牺牲层捌蚀等。该
工艺与 I 艺兼 容 . 作精 度很 高 , c工 制 重复 性好 , 成 品率 高 , 以像 制造 电子 元 件一 样 进 行 大批 量 生 可 产 。 这种工 艺制 作 的徽 加速 度传感 器 , 械结 构 用 机 与检测 电路可 集成 在一个 芯 片上 . 因而更 加灵 巧 、 可靠 。 世界 上第 一种 用表 面硅工 艺大 批量 生产 的加
速 度传 感器 AD L5 口 由 An l e ie 司和 X 0 ao D vcs公 g
扭转轴可 由此硅片经简单的二维刻蚀制成。它的
精 度达 到 2 5×1 ~ g, 敏 度 为 4 / , 作 范 . 0 灵 g工 围是 0 O ~ 1 , .1 g 0g 工作频 带 为 0 0 。  ̄2 0Hz
图 6给 出 了静 电力平衡 式 硅微加 速度 传感器 的 另 一种形 式 。 传感器 由美 国 D a e 实 验室 研 该 rp r
Se n 司于 19 联 合研 制成 功 , 于 汽车 imes公 93年 用
气囊保 护 系统 。量程 为 士5 , Og 灵敏 度为 2 0mV/ g 精 度达 到 0 2 . 作温 区为 一5 ~ 1 5 , .5 工 5 2 ℃。采
用 与集 成 电路 BMOS工 艺 兼容 的表 面 微 机械 加 I
工技术制造 , 徽结构与信号处理 电路集成 在同一
图 6 跷 跷板 ’ 静 电力平衡式 硅微 加速度传感器 拭
硅 片上 。整 个 传 感 器 的尺 寸 为 9 4mm ×
4 7 . . mm, 同 电子元 件 . 形 是真正 廉 价 而 高 性 能 的现 代 传感 器 。它的敏 感 元件是 硅基 片表 面的 梳状 电容 结构 , 由厚 2 m 的多晶 硅膜刻 蚀而 成 。中 间的敏 感 质量 块 由两 根 两端 固定 的细 长 粱 支 撑 , 可沿 平 行 于基 片的方 向平 动。 质量块 两侧 伸 出 蛆 个 “ 梳 指 ” 每个“ 指 ” . 梳 就是 一个 活动 电极 , 两 旁 固定 与 的多 晶 硅 电极 有 l3, 的 间 隙 , 成 一 个平 行 _ u m 构 极 板差 动电 容单 元。 将这 些差 动 电容单元 并 联 。 得
制, 灵敏 度 高达 73V/ . . g 大小 仅 0 7 可 与 . 5mm , 该 实验 室研 制 的 硅微 陀螺制 在 一个芯 片上 , 构成 惯性 测 量组 合 用于制 导 。 它的结 构如 同一 其“ 跷 跷 板 ” 活 动 电极 是 3 m 厚 的 硅 片 , , 由一 对 挠性 轴 支撑 。 在硅 片一 侧的 一半 表面上 镀有 一 层金 , 为 作 敏 感 质量块 。在挠性 轴两 边 的硅基 片上 各埋 设一 个 检 测 电极 和 一个 施力 电极 。 电极 对称 分 布 . 4个 与公 共的 活动 电极 ( 片) 硅 分别 构成差 动的 检测 电 容和 施 力电容 。 垂直 于硅 片方 向的加 速度输 入 时 , 硅 片因 挠性 轴 两 . 质量不 同 , 受 的惯 性 力不 嘲的 所 同而 发生 偏转 。 检测 电容 产生输 出 , 到与 输入 加 得
速度成 正 比的输出 电压 。静 电 力平衡 回路 通过扭
到 01 F的总电容 . p 传感器工作于静 电力平衡方 式并 具有 自检功 能 。 自检 电路 定时 向活 动 电极 施
加一 定的 电压 , 产生 的静 电力使 敏感 质 量块 产 生
矩 线性 化 环 节分别 向两个 蘸力 电极 加反相 的平衡 电压 u 和 一 u 产生 的静 电 力使 硅 片恢 复水 平 , 状 态 。 和 一 u u 受 输 出 电压 控 制 , 构成 负反馈 该 传感 器 的温度 特性 稍差 。镀 金 的那一半 硅 片困 金和 硅 的热 膨 胀 比不 同 , 随 温 度变 化 而产 生 弯 将
曲变形 。
一
偏移 。 其效果等同于惯性力的作用 , 可用来对传感 器 的工作 状况进行 模 拟检 测 。 自检 功能 进 一步提 高 了传感 器 的可靠性 , 也使 产 品检验 简单 化 如 例
寿 命试验 , 只要提 供 周期性 的 电压 , 无需 使 用振 动
装置
图 7 一种 用 表面硅 工艺 制作 的多 轴静 电 力 是
种 利 用H: 音 冲调 宽 ( WM ) 电 伺服 技 术 进 P 静
行 测 量的 力平衡 式 硅微 加速 度 传感 器[ 脉宽 调 将 制 电压 和 一 分别 加在 两个 固定 电极 上 。 产 生 的静
电 力使 差 动 电容 的变 化 A C趋 于零 。 改变 脉 冲的 宽 度 和 极 性 可 以 调整 静 电 力的 大 小 和 方 向 。 宽调 制 器受 A 脉 C控 制 , 出的 H 冲宽度 正 比 输 音 :
于 A 而 △ C。 c是 由活 动 电极 的位 置 决 定 的 , 其大
图 7 表面硅 工艺多轴 静 电力 平衡 式截 加速 度传感 器
片
小与被 测 加速度 的大 小成正 比。 所以 。 音 由H: 冲的宽 度 和极性 可测得 被测 加速 度的 大小
平衡式 徽 加速度 传感 器 , 】采用 中心 支 撑 、 类似 万 向 节的结构 , 可测 - 方 向的加速 度 。 r 、 敏感 元 件分 上下 两 层 , 过 中间 的 支柱 (万 向 节 ” 连 接 。 通 “ ) 上 层硅 片的边 框较厚 , 用作敏 感 质量 。 由连在 中心支 柱上 的 4根悬 臂梁 支撑 , 可绕 、 向转 动 。 层 y方 下 硅 片在 - 方 向各 埋 设 2片电 极 , 上 层 硅 片分 r 、 与
2 表 面硅工 艺电容 式微加速度传感器
表 面 硅 工艺 是 指 用类 似 I c工 艺 的方 法 在硅 片表 面制 作 徽机 械 结构 的技 术 , 要 包括硅 的 氧 主
中国机械工程 19 年 第 9卷第 l 98 0期
别构 成差 动 电 容 。 由于 质 量块 的 质 心高 于悬 臂 粱 平面 , 。或 Y方 向的惯 性 力将 使敏 感 质量块 偏 转 , 差动 电容 产生 正 比于被 测 加 速度 的 输 出 。 臂梁 悬 经过 特殊 设计 , 转动 剐度 很 小而 弯曲刚 度很 大 , 使
横 向灵敏 度 在 0 1 以 下 。 传感 器通 过 专 门的 .% 该
金属微 结构 , 去了调 整和 装配 的步 骤 , 别适 合 省 特
于制作敏感质量块 一悬臂梁结构的电容式微加速
度 传感器 。这 种 传感器 与 硅电 容式微 加速 度 传感
器 比较有许多优点 : ①静态电容较大 ; ②温度漂移 系数 小 ; 线性 度 高 ; ③ ④横 向灵 敏 度 小 ; 徽结 构 @
较 厚 , 固可靠 据 报道 , 国 K r uh 牢 德 el r e核研 究 s 中心研 制 出这类 传感器 的 两代 产品见 图 9
? ∞ > Tc o< o
识别 电路 判别被 测 加速度 的方 向 。 例如 . 入加速 输 度 靠 近 方 向, 感质 量块 的 偏转 使 方 向 的差 敏 动电 容 发 生较 大 的变 化 , 识别 电路 据此 判断 出加
速度的方向, 井自动抑制 y 方向差动电容的输入
通常 , 表面 硅工 艺 电容 式徽 加速 度传 感 器的 活动 部件 是 沉积在 硅基 片表 面的 多晶 硅层 。由于 工艺 限制 , 多晶硅 层 一般 只有 数微米 厚 , 此 因而敏 感 质 量较 小 , 灵敏 度 往 往 低于 立 体 硅工 艺式 徽加 速度 传感 器
。 而且 , 晶硅用作 弹性 元件 存在 着迟 多
图 9 Ke| re核研究 中心研制的 第二代 L GA r uh s I 工 艺加速 度传 感器 的微 结构 示意 圈m
墨
滞性 ; 沉积多晶硅 层的残余应力还会产生灵敏度
的漂 移 。图 8所示 的结 构f3 供 了解决这 个 问题 l提 a
的一 个办 法 。 是用 S B—s ( 一硅 直接键 合 它 D O1 硅
微 结 构 仍用镍 制 成 . 附着 在 1 0mm×2 Omm
的 Al 陶瓷基 片上 。叉形 敏感 质 量块 由两根平 O
行 的 悬 臂粱 支撑 , 4个 固 定电 极 形 成 两 对 4 s 与 .
p F的差动电容。 这两对差动电容的温度漂移系数 正一 负 , 当设 计 它 们 的结 构参 数 可使温 度 变 适
一
化带来 的影 响相互 抵 消 。整个 仪器 的 温度 漂移 系 数 为 1 g ℃ , 作温 区达 到 一1  ̄10 0 / 工 0 0 ℃。该 传 感 器 仍 采 用 静 电 力平 衡 方 式 , 程 有 土 lg ± 2 量 、
图 8 S B S 结 构 表 面 硅 工 艺 D - OI
g ±5g 士1 , 、 、 0g4种 灵敏度 达 到 2 / 精 度达 0 g, 到 1 g 土 lg量 程 )线性 误 差也 比第一 代 产 品 0 ( , 小 。 点是频 率特性 较 差 , 振频 率仅 有 2 0Hz 缺 谐 5 ,
阻 尼系数 为 0 2 .5
电容式微加速 度传感器
和硅 一绝缘 体 键 合 ) 技术 与表 面 硅工 艺 相结 合的 “ 准表 面硅 工艺 ” 制作 的 其 活动 部件 是 1 m 厚 0 的单 晶硅 层 , 敏盛方 向垂直 于硅 平面 其 作为悬 臂 粱固定 端 的 4个 点 用 S B( 一 硅 直接 键 台 ) D 硅 技 术 直接 连 到硅基 片上 。 量块上 开 孔以改 善阻 尼 , 质
4 电容 式徽 加速度 传 感 器 的关键 技 术及
研 究方 向
4 1 频 率响应 特性 的改善 . 频 响 范 围过窄是 现有 电容 式微 加速度 传感器
的一个 重要 问题 由于结构 本 身的原 因 , 的谐振 它
使传感器有较好的频 响特性 , 工作带 宽选 20 0
Hz 与一 般表面 硅工 艺 电容 式 微加速 度 传感器相 比 . 的敏 感质 量块 厚得 多 , 它 螺旋 状悬 臂梁 的剐 度 也较 小, 而灵敏度较高 . 因 达到 2 0mV/ ; 晶 0 g单
额 率一 般 只有 几 千 赫兹 , 因而工 作 频 带 通常 还 不 到 lk , 重制 约了它 的应 用范 围 。 Hz严 扩大 带 宽最 根 本的 办法 是 提高 谐 振 频 率 , 就 需 要 提高 弹 性 这 元件 的刚度 或减 小惯 性质 量 。但是这 种方 法势必
硅的悬臂粱消除了迟滞性和蠕变 , 提高
了可靠性
该传感 器 芯片上 集成 了 7 不 同工 作 范围 (0~ 个 1
5 ) 0 的小加速度传感器 , g 每个小加速度传感器均
小 于 l 5mm×I 5mm。 、 .
导致灵敏度下降 目前扩大带宽最常用的办法是 使传感 器工 作 在临界 阻尼 状态 。 由于谐振频 率 的
制约 , 种 办法 井不 能大幅度 扩 展工作 频 带 。 善 这 改 频 率 响应特性 仍是 电 容式微 加速 度传 感器研 究 的 重要课题 。国 内外 在这 方 面 已进 行 了一些 有益 的 探 索 , 文献 [ 利用 加速 度 传 感器 的 传递 函 数 如 1] 3
3 L GA 工 艺 电容 式微 加 速 度传 感 器 I
L1 工 艺是 一 种 全 新 的微 机 械 加 工 技 术 , GA 主要 包 括 x光 深度 同 步辐 射 光刻 、 电铸制 模和 注 模复 制 3个工 艺 步 骤 , 认为是 下个 世 纪晟 有 前 被
途的三 维 加工方 法 。它 具有 硅加工 技术 难 以企及
的一些 优 点“ 。LGA 工 艺 与牺牲 层 技术 相结 合 “ 1 可在 一 个工艺 步骤 中同 时加 工 出固定的 和活动 的
模 型, 构造出与之零、 极点相消的 电路 , 对传感器 的动态特 性进 行 补偿 , 而扩 大工 作频 带 。 计算 从 经
机 模拟 , 方法 比临 界 阻 尼法 的工 作 频 带有 成倍 该
电容式微加速 度传感器 的现状及研究方 向——尤
晖
李 川奇
沈连官等
提高 。
44 温 度漂移 的抑 制 . 电容式 微 加速度 传感 器的温 度漂 移低 于 压阻 式. 但仍 不可忽 略 , 对测 量精 度和可 靠性 有 较大 它
影 响。 生温度漂 移 的原 因主要 有 : 制作 中的残 产 ①
42 阻尼 控制 . 电容 式微 加速 度 传感器 大多 工作 在临 界阻 尼
状态 . 阻 尼的控制 显 得格外 重 要 。 献 [ 4 提 出 对 文 1]
用 充气或 充油的方 法来 控制 阻 尼 。充油 的方法 已
很 少被 采 用 , 有 如 下缺 点 : 产 生 附加 质量 , 因 ① 使
余应 力 ; 微结 构 由热膨胀 系数 不 同的材 料构 成 , ② 如 图 6 示 结 构 ; 徽结 构 与基 片的 热 膨 胀 系数 所 ⑧
不 同 . 图 9 示 结 构 电子 元 件 的 温度 漂 移 。 如 所 ④
频 响 范 围变 窄 、 敏度 下降 油 的粘 度 较大 , 灵 ② 电 容 间隙必 须做 得较 大 , 降低 了灵敏 度 温度 变 化 ③ 时, 油的粘 度 随之 改变 而使 阻尼 发生变化 。 目前较 常 用的方 法是 降低 封装 气 压和 微结构 的优化 阻 尼 设计 。前 者 给封装 工艺 带来 很 大麻烦 , 比较 而 言 ,
后者 是更 好的 办法。 图 1 0给 出 了一 种 经
目前大 多用 温 度
补偿 电路来 抑 制 温 度 漂移 , 有 也 在微结 构上 做文 章的 . 如图 9所示 结构 。 2所 示 图
传感 器 , 在敏 感 元 件 芯 片上 另外 集 成 了一个 结 构 完 全相 同但 中间 质量 块 不能 动 的 徽 结 构 , 于 温 用
度 朴偿 , 输出 漂移 仅有 2 ×1一g ' 使 O 0 /C。 4 5 信号 检测 与处理 电路 . 电容 式微 加速 度 传感器 的信 号检 测与 处理 电 路 比较 复 杂 , 直是研 究的 重点 。 一 已有 多种 电路 见 诸 报道 . 仅差 动电容 的信 号检 测 电路 就 有交 流 不
平衡 电桥 式 、 电流 差 动式 、 关 电容 运放 式 等 “ 开 。
过优 化 阻 尼设 计 的微
结构 。该结 构在 活
动极 板 上开 有通 槽 以
减 小 阻 尼 , 传 感 器 使 的 频 响 达 到 1k Hz
( 差 1 ) 而 不 用 误 0 .
静 电 力 平 衡 电 路 的 种 类 也 很 多 , 了 前 述 的 除 P M 脉 i 宽 式 以 外 . 献 [9 给 出 了 另 外 几 W 巾调 文 1]
.
这 种 结构 , 样 的 误 同
种, 文献 [0 还提 出 了一种模 / 混合 式静 电 力平 2] 数 衡 电路 。 信号检 测 与处理 电路 正 在朝着 高精 度 、 多 功 能 、 能化方 向发 展 。 智 高分 辨率 的专用 集成 电路
( I 口 已经 问世 。 ASC) ”
差 . . 5图 蓦芸 … 堡频 O 蓍萎 . 复. 量 Hz左右 国外 已尝试 徽
用 电 技 术 来 控 制 阻 尼 。文 献 [6提 出在 静 电力平 衡 回路 中引入低 通 1] 滤 波 器 来 改 善 加速 度 传感 器 的 阻 尼 特性 。文 献 [7提 出通 过外 加 电压来 产生 与活 动扳板 运 动速 1] 率成正 比的 静 电力阻 力 , 阻 尼控 制 变得 非 常方 使
便。这 些方 法仍在 理论 探讨 中 。
最新 研制 的一些 信号 检测 与处理 电路增 加 了 自检 功能 ] 。将来 的信号检 测 与 处理 电路还 将有 数据 转换 、 存储 和通 讯等 功能 。K r uh 核 研究 el r e s 中心 研制 的 加速 度 测 量 系 统代 表 了 这个 发 展 方
向。 系统 包括 两个互 相垂 直 的传感 器 阵列 , 该 每个
4 3 横向灵 敏度 的抑 制 .
过 高的 横向灵 敏度 将 产生较 大 的交叉耦 台误
阵列 又 由 3个 图 9所 示的 LGA 工 艺微 加速度 传 I
感器组成 . 可进行 二维 加速 度的 测量 。 每个 微 加速
差 , 重影响 测量 精度 向灵敏度 过高 的原 因主 严 横 要 有 : 弹性 元件 ( ① 悬臂 梁 ) 的横 向刚度 不够 } 敏 ② 感 质量 块 和悬 臂 梁 的 质心 不 在 同 一个平 面上 ; ③ 敏感 质 量块
的测量位 移 过大 。 目前 抑制横 向灵 敏 度 主要 有 以 下几 种 办法 : 工 作 方式 选 用 静 电 力 ①
度 传感器 的 检 测信 号 输 入 1 微 处理 器 进 行 如 6位 下处 理 : 数据 正 常化 和 平 均化 ; 临 界值 计算 ; ① ② ③F T频 率 分析 ; 数 据压缩 。系统 内部有 Rs F ④ 一 2 2 1一 3 接 2 能与 P 1 C机 或 工 作站 相 连 , 行初 始 化 进
和数 据 图形 化 处理 。
平衡式, 但信号检测与处理 电路复杂 、 颡响范围更 窄 ; 采用横 向 刚度 高 的结 构 , 图 2所 示 结构 。 ② 如
这 种 方 法往 往要 增 加悬臂 粱 的个 数 , 敏感 轴 方 使 向的 刚度也 增大 , 使灵 敏度 下降 ; 在固 定 电扳 致 ⑧ 上 加较 高 的直流 电压 , 提高 微结 构的 电刚度 。 这 但 样 会降低 灵 敏度 . 并增 加功耗 ; 使敏 感质量 块和 ④ 悬 臂梁 的质 心在 同一个 平 面上 . 如图 8所示 结构 。 对 于大多 数 立体 硅工 艺 加速度 传感 器 , 势 必增 这
46 封装 . 封 装应 牢 固可靠 , 于大批 量 生产 ; 要 有保 便 还 护作 用 。 内部 元 件 免受 外 界环 境 的污 染井 能 承 使 受一定 的 冲击 ; 提供 可靠 的 引线和 安装 方式 。 井 电
容式微 加速 度 传感 器 的封 装 比较 复 杂 , 了要 实 除
现上述 功能 , 还要 考虑 ; ①为敏 感 元件提 供 临界 阻 尼; @组 装产 生的 内应 力对敏 感元 件 的影 响 ; 如 ④ 果封装 材料 与敏 感 元 件材 料 的热 膨 胀 系 数 不 同 .
加制作难度 , 而且对图 3 所示的薄膜结构几乎不 可 能做 到这 一 点 。 以 , 究有 效抑 制横 向灵 敏度 所 研
的方 法仍是 一个 重要 课题 。
应考虑温度变化对敏感元件的影响。封装技术一
直是 电容式 微 加 速度 传感 器研 究的 难题 。 目前 这 方 面的进 展还很 有 限 硅 电容 式微 加速度 传感 器
中国机 械工程 1 9 98年第 9 卷第 1 期 O
的封装 现 在大 多采用 “ 璃 一硅 一玻 璃 玻 阳极 键合
或“ 一硅 一硅 硅 直接 键 合的方 式 。这种 方式 能 一
c ir me e wih ee o t r t PW M Ei c r s a i S r o e to t t e v Te h c c.
nq e S n o s8 t ao s 9 0, 1 2 3 6 3 9 lu . e s r L Acu tr , 9 A2 — 3t I ~ 1
9 Ku h e 。 h r n S A u f c i r ma h n d S 】 e n lW S e ma . S ra e M c o c i e i . io  ̄ lr m e
e t n— c i t c i n Cic i. c n Ac e e o t r wi o — h p D e to r u t h e
次 完 成 同 一硅 片 上 多个 敏 感 元 件的 封装 , 生产 效
率 很高 0 。 ] 但键 合要 在高 温下进 行 , 只能用 于热膨
胀 系数 相近 的 材料之 间 的结合 。阳 投键 合还 需加 高 电压 , 动定 电极 间 有强 烈的静 电引 力, 可能使 很 两 块投板 牯 结 , 底 损坏 微结构 。 种封装 方式 给 彻 这 结 构设计 和 材 料选 用 带来 投大 限制 。用低 熔 点玻 璃 来 降 低键 合 温 度 , 以及 用 玻 璃 膜作 中间层 来 扩 展 硅和 玻 璃 以外 的 键 合 材 料 的研 究 正 在进 行 之
r S n o s8 t ao s,l 9 , 4 7 l e s I LAcu tr 9 4 A 5: ~ 6
9 Ya a a K, r a A v l g e fFre o m d Ku i ma T. No e y e D r eo e d m
Sp a a l n Te h l u u t —a i ce o e e . a r t c nq ei aM i o n i x s Ac lr m t r
e sr S n o s& A t ao s 9 4 A4 t 2 ~ 1 7 cu t r ,1 9 , 3 1 0 2
l M a s m o o Y ,1 k r M ,Ta k O tu t wa ii 呻 a H. e 1 A — t . Ca a
p ctv c lr mee ig S a i eAc ee o t rUsn DB一 9 tu t r . i 0IS r c ue
e s r & cu tr , 9 6 A5 2 7 7 S n o s A t ao s 1 9 , 3 6 ~ 2 2 t
中。导线与馓结构的连接 一般采用激光焊接 、 铜
焊、 低温 焊接 等方 法 。 了提 高 效率 , 为 一种 由夹具 、 机 械手 、 学 显 微镜 和 电子 显微 镜 组 成 的封 装 工 光 具 系统正 在研 制之 中 。 在 , 现 一些 表面 硅工 艺加速
度 传感器 的封 装 已采用 标准 I c方式 。 如 ADX 例 L 系 列产 品就是 用 1 O个 引脚 的金属 壳进 行封 装的 ,
u
李川奇 . 连官 . 细加工 新技 术—— L G 技 术研 扰 傲 IA 究. 仪器仪表学报 ,1 9 ,6 D:5 9 9 5 1 ( 6  ̄6
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ae y LI m e au Efe t a r td b GA o es e c Pr cs .
e  ̄ s8 t ao s 1 9 A4 — 2 4 6 S n.r LAc u t r , 9 4, 1 4 : 2 ~ 4 9 o 2
其 外观和 安装 完全等 同于 电子器 件 。这 种封 装方 式 有 很 好 的 工 作 界 面 并 且 工 艺 成 熟 , 当 是 应 ME MS产 品的发 展方 向 。 倒装 焊接 法也 开 始用于 硅 加速度 传感 器的封 装 。 这种 工 艺 由于分 布 电容 、 电 感小 , 尤其适 用于 高频场 合 。 电容式 微 加速度 传感 器的 重要性 已引起 国 内
一
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ssieS l o c lr m ees S n o s8 t ao s。 i v i c nAc ee o tr . e s r L t i Acu tr
l 9 . 3 3 5 3 9 9 2A 2 7 ~ 7 l Ge lc 5 r a h— M e e E. ir me h n c l Ca a iie y r U M co c a i p ct a v
些 单位 的重 视 。 华大学 、 旦大学 等 开展 了立 清 复
Ac ee o tr S n o ¥ 8 taor , 1 9 c ]r me e . e s r LAcu t s 9 1,A 2 — 5
27: 5 5~ 5 5 58
体硅 工 艺 电容 式 微加 速 度 传感 器 的 研 制 , 得 初 取
步进 展 ; 中国科学 院 高能物 理研 究所 、 中国科学 技
1 Va m p nR 6 n Ka e P.Velk o . r oP M . p i l o pM J S r Ap l e e —
术 大 学 、 海 交 通 大 学等 利用 北 京 正 负电子 对撞 上 机 和 合肥 同步 辐射加 速 器的 光 源 , 手研 f 1 着 6 LG— j A 工 艺 电容 式 微加 速 度 传感 器 , 目前 都 还处 于微 结 构设 计和 加 工阶段 。
参
l 9 ,5 2 :~ t 9 6 l ( )6 o
c t n 0 Elcr sai edb c o Crt a mpn a i { e to tt F e a k t ic l o c i Da ig
o n I t g ae ic n Ca a iv c lr m ee . fa n e r td Sl o p ct e Ac ee o tr i i
S n o s8
Acu t r ,1 9 , 3: O ~ 1 6 e s r L t ao s 9 4 A4 l 0 0
l M ac s mii .RuzO ta . ay i o e. 7 ro S. a te J r i e 1 An lss fE1c
t o t t 一 - r p d P e o e itv i c n Ac e e o e r s a i d o e i z r ss i eS l c 且 i c lr m - o
tr . n o s8 Acu tr ,1 9 , 7 3 3 7 3 2 e s S s r L t ao s 9 3 A3 — 8| 1 ~ 2 e
考
文
献
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~ 63 7
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H ih y S n i v n o n e fc r ut{ rL0 — g l e st e S s rI tra eCi i 0 w i e c
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Ac e e o t r wih Hi h S m me rc l De i n e - c ] r me e t g y t ia s .S n g
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8 r n t ao s 1 9 , 2 一 2 t 1 ~ 3 5 o sa d Acu t r , 9 0 A l 3 32 1
5 Pu r Ve g t A u mi it r p c t e M o e e s B, r o e S S b n a u e C a ii v - a v me tD t c o ig a C mp s t e b a eSu p n n e e t r Usn o o ieM m r n s e .
to p ctv c lr me e . n,r L t ao s in C a iieAc ee o tr S . 88 u t r , a e T o Ac
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尤
晖 男 ,9 8 1 6 年生 .中国科学技术大学‘ 台肥市
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密机械与精密仪器秉博士 研究生 .主要从事僦传感 器、 电于机 徽 械 系统 和 L G 7 I A 3 艺的研究 . . 掌川 奇 沈 连它
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s t L t ao s 9 4 4 1 l 1 8 o s8 u tr ,1 8 , l 9 ~ 9 Ac
7 S z k Tu ht n S mio d c o p ct e Ac u u iS, c ia iS. e c n u t r C a ii _ a v
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2 02 中国科学拄 术大 307