MEMS加速度傳感器的原理與構(gòu)造

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1、微系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 加速度傳感器的原理與構(gòu)造 班 級(jí)：2012機(jī)自實(shí)驗(yàn)班 指導(dǎo)教師：xxx 小組成員：xxx xx大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 二OO五年十一月 摘 要 隨著硅微機(jī)械加工技術(shù)(MEMS)的迅猛發(fā)展,各種基于MEMS技術(shù)的器件也應(yīng)運(yùn)而生,目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的就有壓力傳感器、加速度傳感器、光開關(guān)等等,它們有著體積小、質(zhì)量輕、成本低、功耗低、可靠性高等特點(diǎn),而且因?yàn)槠浼庸すに囈欢ǔ潭壬吓c傳統(tǒng)的集成電路工藝兼容,易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化以及批量生產(chǎn),因而從問世起就引起了廣泛關(guān)注,并且在汽車、醫(yī)藥、導(dǎo)航和控制、生化分析、工業(yè)檢測(cè)等

2、方面得到了較為迅速的應(yīng)用。其中加速度傳感器就是廣泛應(yīng)用的例子之一。加速度傳感器的原理隨其應(yīng)用而不同，有壓阻式，電容式，壓電式，諧振式等。本文著手于不同加速度傳感器的原理、制作工藝及應(yīng)用展開，能夠使之更加全面了解加速度傳感器。 關(guān)鍵詞：加速度傳感器，壓阻式，電容式，原理，構(gòu)造 目 錄 1 壓阻式加速度傳感器 3 1.1 壓阻式加速度傳感器的組成 3 1.2 壓阻式加速度傳感器的原理 3 1.2.1 敏感原理 4 1.2.2 壓阻系數(shù) 5 1.2.3 懸臂梁分析 6 1.3 MEMS壓阻式加速度傳感器制造工藝 7 1.3.1結(jié)構(gòu)部分 7 1.3.2 硅帽部分 9

3、 1.3.3鍵合、劃片 10 2電容式加速度傳感器 10 2.1電容式加速度傳感器原理 10 2.1.1 電容器加速度傳感器力學(xué)模型 10 2.1.2電容式加速度傳感器數(shù)學(xué)模型 12 2.2電容式加速度傳感器的構(gòu)造 13 2.2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)布局的選擇與設(shè)計(jì) 13 2.3.2材料的選擇 15 2.3.3工藝的選擇 16 2.3.4具體構(gòu)造及加工工藝 17 3 其他加速度傳感器 18 3.1 光波導(dǎo)加速度計(jì) 18 3.2微諧振式加速度計(jì) 18 3.3熱對(duì)流加速度計(jì) 19 3.4壓電式加速度計(jì) 20 4 加速度傳感器的應(yīng)用 20 4.1原理 20 4.2 功能 21

4、 參 考 文 獻(xiàn) 21 1 壓阻式加速度傳感器 壓阻式器件是最早微型化和商業(yè)化的一類加速度傳感器。這類加速度傳感器的懸臂梁上制作有壓敏電阻，當(dāng)慣性質(zhì)量塊發(fā)生位移時(shí):會(huì)引起懸臂梁的伸長(zhǎng)或壓縮，改變梁上的應(yīng)力分布，進(jìn)而影響壓敏電阻的阻值.壓阻電阻多位于應(yīng)力變化最明顯的部位。這樣，通過兩個(gè)或四個(gè)壓敏電阻形成的電橋就可實(shí)現(xiàn)加速度的測(cè)量。其特點(diǎn)在于壓阻式加速度傳感器低頻信號(hào)好、可測(cè)量直流信號(hào)、輸入阻抗低、且工作溫度范圍寬，同時(shí)它的后處理電路簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕，因此在汽車、測(cè)振、航天、航空、航船等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。 1.1 壓阻式加速度傳感器的組成 MEMS壓阻式加速度傳感器的敏感

5、元件由彈性梁、質(zhì)量塊、固定框組成。壓阻式加速度傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)力傳感器，他是利用用測(cè)量固定質(zhì)量塊在受到加速度作用時(shí)產(chǎn)生的力F來測(cè)得加速度a的。在目前研究尺度內(nèi)，可以認(rèn)為其基本原理仍遵從牛頓第二定律。也就是說當(dāng)有加速度a作用于傳感器時(shí)，傳感器的慣性質(zhì)量塊便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)慣性力:F=ma,此慣性力F作用于傳感器的彈性梁上，便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正比于F的應(yīng)變。，此時(shí)彈性梁上的壓敏電阻也會(huì)隨之產(chǎn)生一個(gè)變化量△R，由壓敏電阻組成的惠斯通電橋輸出一個(gè)與△R成正比的電壓信號(hào)V。 1.2 壓阻式加速度傳感器的原理 本系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)電路采用壓阻全橋來作為信號(hào)檢測(cè)電路。 電橋采用恒壓源供電，橋壓為。設(shè)、為正應(yīng)

6、變電阻，、為負(fù)應(yīng)變電阻，則電橋的輸出表達(dá)式為: 我們?cè)陔娮璨季衷O(shè)計(jì)、制造工藝都保證壓敏電阻的一致性，因此可以認(rèn)為有的壓敏電阻和壓敏電阻的變化量都是相等的，即: 則電橋輸出的表達(dá)式變?yōu)? 1.2.1 敏感原理 本論文采用的是壓阻式信號(hào)檢測(cè)原理，其核心是半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng).壓阻效應(yīng)是指當(dāng)材料受到外加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，材料的體電阻率發(fā)生變化的材料性能。晶體結(jié)構(gòu)的形變破壞了能帶結(jié)構(gòu)，從而改變了電子遷移率和載流子密度，使材料的電阻率或電導(dǎo)發(fā)生變化。一根金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為： 式中，電阻絲的電阻率;電阻絲的長(zhǎng)度;電阻絲的截面積。 當(dāng)電阻絲受到拉力作用時(shí)

7、，將伸長(zhǎng)，橫截面積相應(yīng)減少,電阻率則因晶格發(fā)生變形等因素的影響而改變，故引起電阻值變化。對(duì)全微分，并用相對(duì)變化量來表示，則有 式中的為電阻絲的軸向應(yīng)變.常用單位。若徑向應(yīng)變?yōu)?，由材料力學(xué)可知，式中為電阻絲材料的泊松系數(shù)，又因?yàn)?，代入式可? 靈敏系數(shù)為 對(duì)于半導(dǎo)體電阻材料，，即因機(jī)械變形引起的電阻變化可以忽略，電阻的變化率主要由引起，即可見，壓阻式傳感器就是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而工作的。 1.2.2 壓阻系數(shù) 最常用的半導(dǎo)體電阻材料有硅和鍺，摻入雜質(zhì)可形成P型或N型半導(dǎo)體。其壓阻效應(yīng)是因在外力作用下，原子點(diǎn)陣排列發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及濃度發(fā)生變化而形成的。由于

8、半導(dǎo)體(如單晶硅)是各向異性材料，因此它的壓阻效應(yīng)不僅與摻雜濃度、溫度和材料類型有關(guān)，還與晶向有關(guān)。 壓阻效應(yīng)的強(qiáng)弱可以用壓阻系數(shù)來表征。壓阻系數(shù)π被定義為單位應(yīng)力作用下電阻率的相對(duì)變化。壓阻效應(yīng)有各向異性特征，沿不同的方向施加應(yīng)力和沿不同方向通過電流，其電阻率變化會(huì)不相同。晶軸坐標(biāo)系壓阻系數(shù)的矩陣可寫成 由此矩陣可以看出，獨(dú)立的壓阻系數(shù)分量只有、、三個(gè)。稱為縱向壓阻系數(shù); 稱為橫向壓阻系數(shù); 稱為剪切壓阻系數(shù).必須強(qiáng)調(diào)一下，、、是相對(duì)于晶軸坐標(biāo)系三個(gè)晶軸方向的三個(gè)獨(dú)立分量。有了晶軸坐標(biāo)系的壓阻系數(shù)之后，就可求出任意晶向的縱向壓阻系數(shù)及橫向壓阻系數(shù)。設(shè)某晶面的晶向的方向余弦為、、，其某

9、一橫向的方向余弦為、、，則可求出: 如果單晶體在此晶向上同時(shí)有縱向應(yīng)力的作用，則在此晶向上(必須是電流流過方向)的電阻率相對(duì)變化，可按下式求得: 此式說明，在同一晶體上由兩部分組成，一部分是由縱向壓阻效應(yīng)引起的，一部分是由橫向壓阻效應(yīng)引起的。下表給出了硅和鍺中的獨(dú)立壓阻系數(shù)分量的值。 硅和鍺的獨(dú)立壓阻系數(shù) 材料類型 電阻率 P-Si 7.8 6.6 -1.1 138.1 N-Si 11.7 -102.2 53.4 -13.6 P-Ge 1.1 -3.7 3.2 96.7 N-Ge 9.9 -4.7 -5 -137.9

10、1.2.3 懸臂梁分析 懸臂梁根部的橫向受力： 質(zhì)量塊的質(zhì)量；懸臂梁的寬度和厚度，；質(zhì)量塊中心至懸臂梁根部的距離；加速度 懸臂梁的電阻的相對(duì)變化率： 1.3 MEMS壓阻式加速度傳感器制造工藝 為加工出圖示的加速度傳感器,主要采用下列加工手段來實(shí)現(xiàn)。采用注入、推進(jìn)、氧化的創(chuàng)新工藝來制作壓敏電阻；采用KHO各向異性深腐蝕來形成質(zhì)量塊；并使用AES來釋放梁和質(zhì)量塊；最后利用鍵合工藝來得到所需的“三明治”結(jié)構(gòu)。 （使用的是400μm厚、N型(100)晶向、電阻率p=2-4Ω的雙面拋光硅片。） 1.3.1結(jié)構(gòu)部分 工藝步驟 工藝剖面圖 初次清洗，

11、熱氧化300 第一次光刻，反應(yīng)離子刻蝕余厚400-800 硼離子注入 去膠 硼驅(qū)入，具體工藝包括清洗、驅(qū)硼、氧化等 二次光刻，反應(yīng)離子刻蝕 去膠 濃硼擴(kuò)散，工藝內(nèi)容包括清洗、擴(kuò)散、低溫氧化、漂氧化硅、推進(jìn)、熱氧化 第三次光刻，反應(yīng)離子刻蝕 BHF漂正反面 LPCVD 3500 1200 第六次光刻，腐蝕Au/Cr，去膠 第七次刻蝕，反應(yīng)離子刻蝕 刻蝕，ICP刻硅釋放結(jié)構(gòu) 去膠，去導(dǎo)熱硅脂 1.3.2 硅帽部分 1.3.3鍵合、劃片 2 電容式加速度傳感器 電容式加速度傳

12、感器，在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如發(fā)動(dòng)機(jī)，數(shù)控車床等等。它具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻率范圍寬約為0～450Hz，線性度小于1%，靈敏度高，輸出穩(wěn)定，溫度漂移小，測(cè)量誤差小，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，輸出阻抗低，輸出電量與振動(dòng)加速度的關(guān)系式簡(jiǎn)單方便易于計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 2.1電容式加速度傳感器原理 電容式加速度傳感器是基于電容原理的極距變化型的電容傳感器，其中一個(gè)電極是固定的，另一變化電極是彈性膜片。彈性膜片在外力(氣壓、液壓等)作用下發(fā)生位移，使電容量發(fā)生變化。這種傳感器可以測(cè)量氣流(或液流)的振動(dòng)速度(或加速度)，還可以進(jìn)一步測(cè)出壓力。 2.1.1 電容器加速度傳感器力學(xué)模型

13、 電容式加速度傳感器從力學(xué)角度可以看成是一個(gè)質(zhì)量—彈簧—阻尼系統(tǒng)，加速度通過質(zhì)量塊形成慣性力作用于系統(tǒng)，如圖一所示。 根據(jù)牛頓第二定律,對(duì)于該力學(xué)模型,可以列寫出下列二階微分方程： 其中 將上式進(jìn)行零初始條件下的拉普拉斯變換,得 由此可得以加速度作為輸入變量，質(zhì)量塊相對(duì)殼體位移為輸出變量；傳遞函數(shù)為 可見,如果將傳感器的殼體固定在載體上,只要能把質(zhì)量塊在敏感軸方向相對(duì)殼體的位移測(cè)出來,便可以把它作為加速度的間接度量。由上式可見，傳感器無(wú)阻尼自振角頻率為 傳感器阻尼比為 從上式可以看出，當(dāng)處于常加速度輸入下的穩(wěn)態(tài)時(shí)，其質(zhì)量塊相對(duì)殼體位移趨于如下

14、穩(wěn)態(tài)值： 由上式可見，質(zhì)量塊越大，彈性系數(shù)越小，即系統(tǒng)無(wú)阻尼自振角頻率越低，則電容式加速度傳感器靈敏度越高。穩(wěn)態(tài)靈敏度為： 2.1.2電容式加速度傳感器數(shù)學(xué)模型 當(dāng)加速度時(shí)，質(zhì)量塊位于平衡位置，兩差動(dòng)電容相等，即 當(dāng)加速度a不為0 時(shí)，質(zhì)量塊受到加速度引起的慣性力產(chǎn)生位移x，兩差動(dòng)電容間隙分別變?yōu)? 可得差動(dòng)方式時(shí)總的電容變化量為 質(zhì)量塊由于加速度造成的微小位移可轉(zhuǎn)化為差動(dòng)電容的變化，并且兩電容的差值與位移量成正比?？傻幂斎爰铀俣萢和差動(dòng)電容變化的關(guān)系為 由加速度變化到敏感電容變化的靈敏度為 電容式加速度傳感器的分辨率受到電容檢

15、測(cè)電路分辨率的限制，分辨率為 2.2電容式加速度傳感器的構(gòu)造 2.2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)布局的選擇與設(shè)計(jì) 當(dāng)前大多數(shù)的電容式加速度傳感器都是由三部分硅晶體圓片構(gòu)成的，中層是由雙層的SOI硅片制成的活動(dòng)電容極板。如圖一所示， 中間的活動(dòng)電容極板是由八個(gè)彎曲彈性連接梁所支撐，夾在上下層兩塊固定的電容極板之間。提高精度很重要的一項(xiàng)措施就是采用差動(dòng)測(cè)量方式，極大地提高了信噪比。因此，電容式MEMS加速度傳感器幾乎全部采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。 電容式Mems加速度傳感器的結(jié)構(gòu)布局 1．基本結(jié)構(gòu)的選擇 電容式 MEMS加速度傳感器有許多種機(jī)械結(jié)構(gòu)，。選擇好的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將有助于滿足和提高傳感器的性

16、能，如固有頻率、量程 、機(jī)械強(qiáng)度 、對(duì)載荷的響應(yīng)等等。另外，微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸除了要滿足上述條件外，隨著尺寸的縮小，一些在運(yùn)動(dòng)中起主導(dǎo)作用的 因素將發(fā)生變化。比如靜電力、分子之間的相互作用力、空氣產(chǎn)生的阻尼力等，這些在宏觀中被忽略掉的因素將是影響微結(jié)構(gòu)性能的主要因素。因此在設(shè)計(jì)中也應(yīng)該把這些因素考慮在內(nèi)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮的主要約束條件有： a.量程 具有一定的量程是設(shè)計(jì)加速度傳感器的主要目的。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料力學(xué)等來分析傳感器的最大測(cè)量范圍。 b.剛性約束條件 要求加速度計(jì)在慣性力的作用下，懸臂梁或者撓性軸的最大撓度應(yīng)小于材料所允許的最大相對(duì)撓度。 c.彈性約束條件

17、 要求懸臂梁或者撓性軸上的應(yīng)力不超過材料本身的許用應(yīng)力，以保證結(jié)構(gòu)工作在彈性范圍內(nèi)。 d.諧振頻率約束 加速度計(jì)相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，為了保證有足夠?qū)挼墓ぷ黝l率，希望加速度計(jì)的諧振頻率盡可能高些。但是，諧振頻率又不能太高，以保證有較高的靈敏度。因此，總是希望加速度計(jì)的諧振頻率在一定的范圍內(nèi)。 2. 彈性梁的選擇 彈性梁的設(shè)計(jì)在MEMS加速度計(jì)中是十分關(guān)鍵的一個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)直接影響到傳感器的量程、分辨率、橫向靈敏度、抗高過載能力等參數(shù)(梁的基本結(jié)構(gòu)如表1所示 )。合理選擇梁的結(jié)構(gòu)類型，是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。表2列出了不同彈性梁與質(zhì)量塊組合時(shí)的性能特點(diǎn)。 3. 過載保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

18、硅微彈性梁作為MEMS器件的基本組成部分，它的幾何尺寸和材料屬性會(huì)直接影響微 器件的工作性能、抗高過載能力，以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。高過載條件下微結(jié)構(gòu)的受力形式主要表現(xiàn)為慣性力，而慣性力作為外力作用在構(gòu)件上時(shí)，產(chǎn)生構(gòu)件內(nèi)力，且內(nèi)力會(huì)隨沖擊加速度的增加而增大，當(dāng)沖擊加速度達(dá)到某一限度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)破壞。若要保證MEMS加速度計(jì)在高過載條件下不失效，則組成的 MEMS加速度計(jì)的微構(gòu)件必須滿足 ：足夠的抵抗破壞能力、足夠的抵抗變形能力和保持原有平衡狀態(tài)的能力。而這些要求均與材料的力學(xué)性能有關(guān)。材料的力學(xué)性能指標(biāo)主要包括 ：比例極限(彈性極限) σp、 屈服極限σs、強(qiáng)度極限(抗拉強(qiáng)度)σb、彈性模量E、

19、延伸率δ和斷面收縮率Ψ等。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常采用止擋塊結(jié)構(gòu)來限制敏感質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)的最大位移。 2.3.2材料的選擇 MEMS加速度計(jì)用到的材料比較多，不同的部分很有可能采用不同的材料。例如用于做襯底的襯底材料，用于做掩膜的掩膜材料，用于表面微加工的犧牲層材料等等。微加速度計(jì)常用的材料有單晶硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、多晶硅等等，具體哪種材料用于哪一部分不是固定的，需要在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)其物理化學(xué)性質(zhì)以及在加速度計(jì)中的作用加以綜合考慮。因?yàn)樵搨鞲衅鲃?dòng)態(tài)要求比較高 ，因此在進(jìn)行完結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到結(jié)構(gòu)的尺 寸以后，進(jìn)行有限元分析是必不可少的。運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)加速度計(jì)模型進(jìn)行分析，可以

20、得到下面的結(jié)果 ： (1)進(jìn)行靜力分析，可以發(fā)現(xiàn)承受應(yīng)力最大的部位。 (2)進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和各固有頻率下的振型。 (3)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，可以得到結(jié)構(gòu)對(duì)外界激勵(lì)的響應(yīng)。 通過以上有限元分析的結(jié)果，可以進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，使所設(shè)計(jì)的加速度計(jì)具有更好的性能 。 2.3.3工藝的選擇 電容式MEMS加速度計(jì)的工藝一般采用的有：表面工藝、體硅工藝、LIGA工藝及 SOI+DRIE工藝等。如表 3對(duì)這幾種工藝進(jìn)行了對(duì)比。 表面工藝是在集成電路平面工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種微工藝，只進(jìn)行單面光刻。它利用硅平面上不同材料的順序淀積和選擇腐蝕來形成各種微結(jié)構(gòu)。主要包

21、括犧牲層淀積、犧牲層刻蝕、結(jié)構(gòu)層淀積、結(jié)構(gòu)層刻蝕、犧牲層去除(釋放結(jié)構(gòu))等。最后使結(jié)構(gòu)材料懸空于基片之上，形成各種形狀的二維或三維結(jié)構(gòu)。 體硅工藝是指沿著硅襯底的厚度方向?qū)枰r底進(jìn)行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的重要方法。為了形成完整的微結(jié)構(gòu)，往往在加工的基礎(chǔ)上用到鍵合或粘接技術(shù)，將硅的鍵合技術(shù)和體硅加工方法結(jié)合起來。硅的微結(jié)構(gòu)經(jīng)過多次掩膜、單面或雙面光刻以及各向異性刻蝕等工藝而成，然后將有關(guān)部分精密對(duì)準(zhǔn)鍵合成一整體。體硅加工工藝過程比硅表面加工復(fù)雜，體積大，成本高。 SO1+DRIE工藝是體硅工藝的一種延伸與發(fā)展。利用絕緣體上硅(SOI)制造單晶硅三維微 結(jié)構(gòu)是最

22、近幾年發(fā)展異常迅速的方法。利用SOI制造微結(jié)構(gòu)的方法幾乎都是利用DINE(深反應(yīng)離子刻蝕)對(duì)單晶硅進(jìn)行深刻蝕。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同、性能要求等可采用正面結(jié)構(gòu)釋放和背面結(jié)構(gòu)釋放。 2.3.4具體構(gòu)造及加工工藝 工藝過程中所選取的都是n-type（100）的，兩層鏡面的SOI硅晶層，處理層厚度800 25μm，設(shè)備層厚度為30μm，氧化層厚度為2μm，圖案化淹模要以<110>的晶向排列，前后面精度分別為1.5μm和3μm。濕法刻蝕的KOH濃度是40%，溫度保持在50度。具體步驟由圖二所示 電容式加速度傳感器制造過程 （a）確定上下極板間的電容間距 （b）用KOH對(duì)兩面的SiO2進(jìn)行濕

23、法刻蝕 （c）等SiO2層被去除，新的氧化層會(huì)在兩面重新生成，繼續(xù)用KOH進(jìn)行濕法刻蝕直到SiO2層被完全去除 （d）在兩面涂上光刻膠作為濕法刻蝕的梁結(jié)構(gòu) （e）去除光刻膠以后兩面重新被氧化生成SiO2，隨后再EVG-100覆蓋（f）利用剩下的光刻膠進(jìn)行刻蝕然后移除光刻膠（g）等刻蝕完成，對(duì)稱梁結(jié)構(gòu)形成（h）利用對(duì)稱結(jié)構(gòu)確認(rèn)中間梁位置（i）上下兩層形成2μm的SiO2對(duì)稱氧化層來隔絕上中下三層（j）隨后通過梁結(jié)構(gòu)中間層與上下層連接（K）控制480度的粘接溫度隨后在1100度下保存一小時(shí)。 3 其他加速度傳感器 3.1 光波導(dǎo)加速度計(jì) 光波導(dǎo)加速度計(jì)的原理如下圖所示：光源從波導(dǎo)1進(jìn)入

24、，經(jīng)過分束部分后分成兩部分分別通入波導(dǎo)4和波導(dǎo)2，進(jìn)入波導(dǎo)4的一束直接被探測(cè)器2探測(cè)，而進(jìn)入波導(dǎo)2的一束會(huì)經(jīng)過一段微小的間隙后進(jìn)入波導(dǎo)3，最終被探測(cè)器1探測(cè)到。有加速度時(shí)，質(zhì)量塊會(huì)使得波導(dǎo)2彎曲，進(jìn)而導(dǎo)至其與波導(dǎo)3的正對(duì)面積減小，使探測(cè)器1探測(cè)到的光減弱。通過比較兩個(gè)探測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)即可求得加速度。 3.2微諧振式加速度計(jì) 諧振式加速度計(jì)，Silicon Oscillating Accelerometer，簡(jiǎn)稱SOA。 一根琴弦繃緊程度不同時(shí)彈奏出的聲音頻率也不同，諧振式加速度計(jì)的原理與此相同。振梁一端固定，另一端鏈接一質(zhì)量塊，當(dāng)振梁軸線方向有加速度時(shí)梁會(huì)受到軸線方向的力，梁中張力

25、變化，其固有頻率也相應(yīng)發(fā)生變化。若對(duì)梁施加一確定的激振，檢測(cè)其響應(yīng)就可測(cè)出其固有頻率，進(jìn)而測(cè)出加速度。激振的施加和響應(yīng)的檢測(cè)通常都是通過梳齒機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。 SOA的特點(diǎn)在于，它是通過改變二階系統(tǒng)本身的特性來反映加速度的變化的，這區(qū)別與電容式、壓電式和光波導(dǎo)式的加速度計(jì)。 SOA常見的結(jié)構(gòu)有S結(jié)構(gòu)和雙端固定音叉（Double-ended Tuning Fork，DETF）兩種。S結(jié)構(gòu)原理圖如下圖所示，DEFT式就是在質(zhì)量塊的另一半加上和左邊對(duì)稱的一套機(jī)構(gòu)。DEFT是目前SOA的主流結(jié)構(gòu)。 3.3熱對(duì)流加速度計(jì) 熱對(duì)流加速度的原理與其他加速度計(jì)有根本上的區(qū)別，其他加速度計(jì)的原理都是建立在一個(gè)

26、二階系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，而熱對(duì)流加速度計(jì)采用的是完全不同的原理。 一個(gè)被放置在芯片中央的熱源在一個(gè)空腔中產(chǎn)生一個(gè)懸浮的熱氣團(tuán)，同時(shí)由鋁和多晶硅組成的熱電偶組被等距離對(duì)稱地放置在熱源的四個(gè)方向。在未受到加速度或水平放置時(shí)，溫度的下降陡度是以熱源為中心完全對(duì)稱的。此時(shí)所有四個(gè)熱電偶組因感應(yīng)溫度而產(chǎn)生的電壓是相同的（見下圖）。由于自由對(duì)流熱場(chǎng)的傳遞性，任何方向的加速度都會(huì)擾亂熱場(chǎng)的輪廓，從而導(dǎo)致其不對(duì)稱。此時(shí)四個(gè)熱電偶組的輸出電壓會(huì)出現(xiàn)差異，而熱電偶組輸出電壓的差異是直接與所感應(yīng)的加速度成比例的。在加速度傳感器內(nèi)部有兩條完全相同的加速度信號(hào)傳輸路徑：一條是用于測(cè)量X軸上所感應(yīng)的加速度，另一條則用于測(cè)量

27、Y軸上所感應(yīng)的加速度。 由于熱對(duì)流加速度計(jì)中沒有可運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊，所以其制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，也比較容易加工，而且其抗沖擊性能非常好，可抗五萬(wàn)倍重力加速度的加速度。但環(huán)境溫度對(duì)熱對(duì)流加速度計(jì)的影響較大，而溫度變化會(huì)導(dǎo)致零點(diǎn)漂移；同時(shí)熱對(duì)流加速度計(jì)的頻響范圍低，通常是小于35Hz。 3.4壓電式加速度計(jì) 壓電式加速度計(jì)的數(shù)學(xué)和物理模型與壓阻式和電容式的加速度計(jì)類似，都是通過測(cè)量二階系統(tǒng)中質(zhì)量塊的位移來間接測(cè)量加速度，三者的差別就是在于測(cè)量這個(gè)質(zhì)量塊位移的方法。 壓電式加速度計(jì)利用了壓電效應(yīng)，或者更確切地說，是利用了正壓電效應(yīng)，即某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)

28、象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。通過測(cè)量壓電材料兩級(jí)的電勢(shì)差即可求得其形變壓電原理在宏觀尺度的加速度計(jì)中應(yīng)用頗為廣泛，這類加速度計(jì)的構(gòu)造多為基座和質(zhì)量塊之間夾一壓阻材料（如下圖）。 而MEMS壓電式加速度計(jì)采用的結(jié)構(gòu)與壓阻式微加速度計(jì)類似（如下圖），都是懸臂梁末端加質(zhì)量塊的震動(dòng)系統(tǒng)，二者差別在于鍍?cè)诹荷系牟牧喜煌瑝弘娛郊铀俣扔?jì)自然只要鍍上壓電材料，而非壓阻材料。 4 加速度傳感器的應(yīng)用 4.1原理 加速傳感器能夠測(cè)量傳感器所承受的加速力。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力。人們?cè)谑謾C(jī)上經(jīng)?？吹降闹亓鞲衅鳎瑢?shí)際就是加速傳感器的一種?，F(xiàn)代加速傳感器有

29、單軸、兩軸、三軸之分。手機(jī)上常見的是電容式芯片三軸加速傳感器，主要由雙芯片構(gòu)成，即重力測(cè)量單元和控制電路單元。在每個(gè)方向上，封裝部分內(nèi)有一小塊可移動(dòng)的電極板和兩塊不可移動(dòng)的電極板， 當(dāng)可移動(dòng)電極板受到加速作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生慣性力，從而影響與左右兩個(gè)不可移動(dòng)電極板的間隔，使得電容值改變，促進(jìn)電容電壓值的變化，以此可以計(jì)算出加速度。 4.2 功能 手機(jī)通過加速傳感器能夠?qū)崟r(shí)的獲得手機(jī)的移動(dòng)狀態(tài)，其最初的用途是用來檢測(cè)手機(jī)是豎放還是橫放，從而決定是橫屏顯示還是豎屏顯示。隨著三軸加速器普及，手機(jī)能夠識(shí)別橫放豎放，正面橫放、背面橫放，正面豎放、背面豎放狀態(tài)，從而可以實(shí)現(xiàn)搖晃手機(jī)操作，翻轉(zhuǎn)靜音功能等；

30、加速傳感器另一個(gè)重大用處就是利用手機(jī)搖晃來玩游戲，其加速值大小能夠在游戲中得到充分表現(xiàn)，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)游戲手柄。 參 考 文 獻(xiàn) [1] YUFIN S A. Geoecology and computers：proceedings of the Third International Conference on Advances of Computer Methods in Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Moscow, Russia, February 1-4,2000[C].Rotterdam：A. A. Balkema,2000. [2] 昂溫 G，昂溫 P S.外國(guó)出版史[M].陳生錚，譯.北京：中國(guó)書籍出版社，1988. [3] 全國(guó)文獻(xiàn)工作標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)第七分委員會(huì).GB/T 5795-1986 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)書號(hào)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1986.