微硅加速度傳感器應用：基于MEMS硅微加速度傳感器的設計方案
硅微加速度傳感器是MEMS器件中的一個重要分支，具有十分廣闊的應用前景。由于硅微加速度傳感器具有響應快、靈敏度高、精度高、易于小型化等優(yōu)點，而且 該種傳感器在強輻射作用下能正常工作，使其近年來發(fā)展迅速。與國外相比，國內對硅微傳感器的研究起步較晚，所做的工作主要集中在硅微加速度傳感器的加工制 造和理論研究。文中以雙端固支式硅微加速度傳感器為研究對象，借助Aasys軟件對其性能進行仿真分析，從而選出性能優(yōu)良的結構形式。
本文引用地址：
1 傳感器結構及工作原理
壓阻式加速度傳感器是最早開發(fā)的硅微加速度傳感器，彈性元件的結構形式一般均采用微機械加工技術形成硅梁外加質量塊的形式，利用壓阻效應來檢測加速度。在 雙端固支梁結構中，質量塊像活塞一樣上下運動，該結構形式的傳感器示意圖，如圖1所示。
2 壓阻式加速度傳感器
壓阻式加速度傳感器是最早開發(fā)的硅微型加速度傳感器，也是當前使用較多的一種。20世紀80年代初，美國斯坦福大學的Roylance和Angell發(fā)表 了第一篇介紹硅微型加速度傳感器的文章后，全硅傳感器開始問世。隨著對硅微型加速度計原理研究的深入以及工藝實現(xiàn)的多樣性，硅微型加速度傳感器的種類日益 繁多，各種應用于不同場合下的硅微型加速度計層出不窮，對硅微型加速度計的研究也越來越受到人們的重視。
壓阻式加速度傳感器體積小、頻率范圍寬、測量加速度的范圍寬，直接輸出電壓信號，不需要復雜的電路接口，大批量生產時價格低廉，可重復生產性好，可直接測 量連續(xù)的加速度和穩(wěn)態(tài)加速度，但對溫度的漂移較大，對安裝和其它應力也較敏感，它不具備某些低gn值測量時所需的準確度。
3 壓阻式硅微加速度傳感器結構形式
3．1 結構形式
壓阻式加速度傳感器的彈性元件一般采用硅梁外加質量塊，質量塊由懸臂梁支撐，并在懸臂梁上制作電阻，連接成測量電橋。在慣性力作用下質 量塊上下運動，懸臂梁上電阻的阻值隨應力的作用而發(fā)生變化，引起測量電橋輸出電壓變化，以此實現(xiàn)對加速度的測量。
壓阻式硅微加速度傳感器的典型結構形式有很多種，已有懸臂梁、雙臂梁、4梁和雙島-5梁等結構形式。彈性元件的結構形式及尺寸決定傳感器的靈敏度、頻響、 量程等。質量塊能夠在較小的加速度作用下，使得懸臂梁上的應力較大，提高傳感器的輸出靈敏度。在大加速度下，質量塊的作用可能會使懸臂梁上的應力超過屈服 應力，變形過大，致使懸臂梁斷裂。為此高gn值加速度擬采用質量塊和梁厚相等的單臂梁和雙臂梁的結構形式，如圖2和圖3所示。
3．2 梁結構的有限元模型
Aasys是一個可在微機上使用的綜合性有限元軟件，是微機電系統(tǒng)設計中廣泛使用的有限元分析軟件。通過有限元的分析計算可以預測懸臂 梁上引力分布、固有頻率、可測最大加速度等，進而指導梁結構參數(shù)的選取。經過對梁結構有限元的計算分析選取單臂梁、雙臂梁結構參數(shù)，如表1所示。
由有限元計算結果，可以得到單臂梁和雙臂梁上在10 000gn加速度作用下壓阻元件所受的平均應力，如表2所示。
4 壓阻式硅微型加速度傳感器加工工藝
壓阻式傳感器的懸臂梁常采用CVD工藝在硅片上外延生長一層外延層刻蝕而成，文中試用鍵合工藝制造壓阻式加速度傳感器。采用鍵合工藝優(yōu)點是能得到高質量的 外延層，且懸臂梁的厚度通過硅片減薄工藝易于得到保證，精細的硅片單面研磨，厚度誤差可以控制在0．5 μm以內；且不需要電化學自停止腐蝕，依靠EPW腐蝕液對SiO2的腐蝕速度極慢，使得腐蝕過程停止在SiO2層上，從而保證了硅片減薄后的厚度即為彈性 梁的厚度。制作的傳感器芯片尺寸3 mm×5 mm，封裝在陶瓷管殼中。選n型硅片，晶向（100），直徑為50mm，厚度為300μm，電阻率為5～12 ω·cm。
5 加速度傳感器性能測試與結果分析
5．1 沖擊試驗
高gn值硅微型加速度計的靈敏度很低，在小加速度下幾乎沒有信號輸出，只有進行沖擊試驗，才能檢驗其性能。為此，常溫下沖擊試驗在馬希 特擊錘上進行。
將標準傳感器和被標定傳感器同時固定在馬希特擊錘的錘頭上，分別對單臂梁和雙臂梁結構的加速度傳感器樣品在不同的齒數(shù)下進行沖擊試驗。過載試驗可達到12 000 gn而不失效，加速度傳感器沖擊測試范圍到2 500 gn。
5．2 測試結果分析
通過對被測試加速度傳感器輸出電壓與加速度之間關系的分析，其基本屬于線性關系，采用一元線性回歸模型對被測試傳感器數(shù)據(jù)進行直線擬 合，其結果，如圖5所示。
對于懸臂梁結構的硅微型加速度傳感器，在其它結構尺寸相同的情況下，梁的厚度對加速度傳感器的靈敏度影響最大，基本上是反比的關系。這是由于在同樣 的載荷下，梁厚與應力大小成反比，而應力大小直接影響靈敏度，應力越大靈敏度越高。由于加工出芯片梁的厚度比設計值偏差較大，故其測試靈敏度比設計值小， 如表3所示。
在質量塊尺寸一定的情況下，梁的長度-與靈敏度成正比，梁的寬度與靈敏度成反比。在梁的尺寸一定情況下，質量塊的質量與靈敏度成正比。
微硅加速度傳感器應用：應用于硅微加速度傳感器的鍵合技術[發(fā)明專利]
專利內容由知識產權出版社提供
摘要：
本發(fā)明提供的是一種應用于硅微加速度傳感器的鍵合技術。在采用平面IC工藝在兩面制作
有正面圖形和背面圖形的主芯片的兩面濺射金屬合金薄膜，通過光刻在兩面的邊緣區(qū)域形成金屬共熔
區(qū)；在制作有加速度傳感器上蓋圖形的上蓋的有圖形面濺射金屬合金薄膜，通過光刻在邊緣區(qū)域形成
金屬共熔區(qū)；在制作有加速度傳感器下蓋圖形的下蓋的有圖形面濺射金屬合金薄膜，通過光刻在邊緣
區(qū)域形成金屬共熔區(qū)；將制作的上蓋、主芯片、下蓋對準，在360℃－380℃溫度下，并保溫25－35
分鐘進行鍵合。本發(fā)明的方法可以消除硅微機械傳感器鍵合高溫鍵合引起摻雜的再分布，熱膨脹帶來
的應力以及溫度超過鋁硅共晶點引起器件失效等問題。
申請人：
中國電子科技集團公司第四十九研究所
地址：
黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)一曼街29號
國籍：
CN
代理機構：
哈爾濱市哈科專利事務所有限責任公司
代理人：
祖玉清
更多信息請下載全文后查看
微硅加速度傳感器應用：微硅加速度傳感器的發(fā)展
【相似文獻】
中國期刊全文數(shù)據(jù)庫
前20條
1
傅昆;;傳感器閃耀自動化舞臺[J];軟件;2010年06期
2
;艾默生極具價格優(yōu)勢的Model3900傳感器[J];化工自動化及儀表;2011年07期
3
詹彤;蔡智圣;張進;楊勇;;基于多傳感器信息融合的危險駕駛行為檢測系統(tǒng)[J];汽車零部件;2011年07期
4
;泛華測控推出LECT-1301精彩演繹十余類傳感器實驗[J];國外電子測量技術;2011年07期
5
石麗杰;;淺談傳感器與電動機的關系[J];黑龍江科技信息;2011年20期
6
孫晶;凌云峰;;傳感器的原理與應用研究[J];科技資訊;2011年21期
7
;RC SI 56系列安全及防爆傳感器[J];傳感器世界;2011年05期
8
李夢黎;;移動機器人多傳感器信息融合技術探討[J];信息與電腦(理論版);2011年08期
9
余劍敏;鐘健松;魏健寧;諶慶春;吳米貴;;用PASCO光傳感器測量圓盤轉動速度和加速度[J];大學物理實驗;2011年04期
10
王福生;;大電流測試傳感器的探討[J];電源世界;2001年11期
11
楊文君;劉生福;;模糊控制自動灌溉系統(tǒng)設計[J];灌溉排水學報;2007年S1期
12
吳年祥;任啟宏;許錦蘋;;基于AVR單片機智能機器人的設計[J];安慶師范學院學報(自然科學版);2011年02期
13
;新納米管傳感器能檢測到單個爆炸物分子[J];發(fā)明與創(chuàng)新(綜合科技);2011年07期
14
程俊紅;;基于單片機的溫度檢測系統(tǒng)[J];黑龍江科技信息;2011年19期
15
牛晶;楊惠;王海鴻;;光電傳感器創(chuàng)新應用[J];科技致富向導;2011年20期
16
Peter Welander;;多變量傳感器[J];軟件;2010年01期
17
李巧真;李剛;徐天室;;傳感器實驗裝置計算機控制系統(tǒng)[J];實驗技術與管理;2011年06期
18
高國龍;;加拿大微測輻射熱計傳感器將用于觀測海洋、火災和火山[J];紅外;2011年08期
19
張麗梅;趙曉東;宋文愛;楊錄;;水分檢測中自平衡電橋的研究[J];電子測試;2011年07期
20
顧鈞元;徐廷學;余仁波;陳海建;;結構健康監(jiān)測及其關鍵技術研究[J];兵工自動化;2011年08期
中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫
前10條
1
茅盤松;孟軍;;微硅加速度傳感器的發(fā)展[A];2000全國力學量傳感器及測試、計量學術交流會論文集[C];2000年
2
陳峰;章德;謝中華;;SAW質量傳感器的實驗研究[A];2007’促進西部發(fā)展聲學學術交流會論文集[C];2007年
3
岳瑞峰;劉理天;李志堅;;集成MOS力敏運放壓力傳感器的設計與研究[A];2000全國力學量傳感器及測試、計量學術交流會論文集[C];2000年
4
李振波;徐丹輝;張春曉;申安安;孫克;;在線式SF_6微水含量傳感器[A];第十屆全國敏感元件與傳感器學術會議論文集[C];2007年
5
丁勇;施斌;吳智深;;巖土工程監(jiān)測中的光纖傳感器[A];全國巖土與工程學術大會論文集（上冊）[C];2003年
6
成文萍;吳鎖柱;張彥;董川;;模式濾光光纖甲醛傳感器的研究[A];中國化學會第十五屆全國有機分析及生物分析學術研討會論文集[C];2009年
7
韋煒;陳名松;張婧;;水下無線傳感器網(wǎng)絡MAC層協(xié)議分析[A];中國通信學會第六屆學術年會論文集（中）[C];2009年
8
李顯寶;何鵬;;基于DS18B20的分布式溫度探測節(jié)點[A];2010中國儀器儀表與測控技術大會論文集[C];2010年
9
劉永生;張繼偉;郭曉慶;李聰;;KXJZ礦用帶式輸送機保護裝置在超化礦的應用與改進[A];煤礦自動化與信息化——第19屆全國煤礦自動化與信息化學術會議暨中國礦業(yè)大學（北京）百年校慶學術會議論文集[C];2009年
10
楊青鋒;;我國傳感技術的現(xiàn)狀及發(fā)展之路[A];稱重科技——第十屆稱重技術研討會論文集[C];2011年
中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫
前10條
1
朱珊瑩;強度調制型光纖傳感器建模分析與設計實現(xiàn)[D];華中科技大學;2011年
2
盧麗敏;基于新型納米復合材料電化學生物傳感器的構建及其分析應用[D];湖南大學;2011年
3
余金華;電阻層析成像技術應用研究[D];浙江大學;2005年
4
張朝暉;新型印跡壓電仿生傳感器的研究[D];湖南大學;2005年
5
劉煒;應對化學生物襲擊的微生物傳感技術及其應用研究[D];華東師范大學;2007年
6
李延;電化學發(fā)光DNA和適體生物傳感器的研究[D];陜西師范大學;2008年
7
王秋生;含硼酸糖、氨基酸生物熒光傳感器的研制[D];吉林大學;2008年
8
應智花;甲基膦酸二甲酯質量敏感型氣體傳感器的制備及特性研究[D];電子科技大學;2008年
9
李廣全;含硼酸基團的糖囊泡熒光傳感器的研制[D];吉林大學;2009年
10
夏瑋;納米金電化學生物傳感技術研究[D];華中科技大學;2011年
中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫
前10條
1
孫景峰;磁流體加速度傳感器外圍電路的設計與實驗研究[D];河北工業(yè)大學;2005年
2
陳剛;虛擬式零件尺寸檢測儀的研制[D];重慶大學;2009年
3
武真;基于分子印跡光子晶體水凝膠傳感器的構建[D];清華大學;2009年
4
周厚江;基于分子印跡聚合物識別的流通式化學發(fā)光傳感器的研究[D];西南師范大學;2005年
5
尹計秋;生物傳感器的研制及應用[D];吉林大學;2005年
6
董波;光纖光柵陣列傳感及其解調制技術的研究[D];北京工業(yè)大學;2005年
7
吳鳴曄;傳感器監(jiān)控平臺程序設計及控制系統(tǒng)研制[D];南京理工大學;2005年
8
陳全;中藥生產濃縮工藝智能控制系統(tǒng)的研制[D];中南大學;2005年
9
陳佳棋;SPR傳感器的研制及其對偶氮苯—環(huán)糊精相互作用的研究[D];南京航空航天大學;2007年
10
李慧芳;基于PLC的蓄熱式加熱爐自動控制系統(tǒng)[D];太原理工大學;2007年
中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫
前10條
1
特約撰稿 周洪波 北京同方軟件股份有限公司;感知與傳輸鋪就物聯(lián)網(wǎng)基礎[N];計算機世界;2010年
2
沈建苗 編譯;傳感器成“看護員”[N];計算機世界;2010年
3
劉霞;美研發(fā)能印在松緊帶上的傳感器[N];科技日報;2010年
4
本報記者 馬文方;MEMS：物聯(lián)網(wǎng)核心技術所在(下)[N];中國計算機報;2010年
5
本報記者 趙艷秋;傳感器發(fā)展氣象萬千[N];中國電子報;2002年
6
;村田制造所：“村田婉童”攜手“村田頑童”展示新技術[N];中國電子報;2008年
7
成都 陳汝全譯;性能超群的新型集成溫度 傳感器 MAX1617及其應用[N];電子報;2004年
8
成都 青化 譯;臭味傳感器TGS2450[N];電子報;2008年
9
;選用傳感器的一般原則[N];電子報;2008年
10
王睿;德國研發(fā)玻璃幕墻裂紋傳感器[N];中國建材報;2010年
微硅加速度傳感器應用：電容式硅微加速度傳感器的研究
電容式硅微加速度傳感器的研究
相關推薦
·《電機與控制學報》1970年
·《微納電子技術》2003年Z
·重慶大學
·南京理工大學
·《今日科苑》2010年20期
·廈門大學
本文分析了新型電容式加速度傳感器，評價了其非線性；提出了將靜電激振
(本文共4頁)
閱讀全文>>
權威出處：
《電機與控制學報》1970年40期
微納電子技術
二維電容式硅微加速度傳感器的剛度求解
硅微電容式加速度傳感器具有靈敏度高、噪音低、漂移小、功耗低、結構簡單等優(yōu)點 ,在軍民兩用市場中有著廣泛的應用...
(本文共3頁)
閱讀全文>>
權威出處： 《微納電子技術》2003年Z1期
重慶大學
硅微電容式加速度傳感器檢測電路研究
電容式硅微加速度傳感器是一種重要的慣性傳感器,是慣性測量組合系統(tǒng)的基礎元件之一,在生產生活和軍事武器中有著廣泛的應用。它與傳統(tǒng)的加速度計相比具有重量輕,成本低,功耗小,體積小等諸多優(yōu)點,因此成為人們研究的熱點。而其檢測電路的研制是關鍵技術之一。由于加工條件的限制,目前國內所研制出的微電容式加速度計主要是采用體硅加工工藝,所以無法把基于表面加工工藝的讀取電路集成在一塊芯片中。本論文針對國內目前體硅加工工藝研制出的微機電系統(tǒng)(MEMS)電容式加速度傳感器進行了傳感器的信號獲取與處理集成電路的研究。可以采用厚薄膜加工工藝把傳感器和此檢測電路進行混合集成。它的設計思路也可用于表面微機械加工工藝制作的差分電容式傳感器,實現(xiàn)單片集成。本論文主要完成了以下研究工作:①本論文圍繞電容式加速度傳感器的結構和工作原理進行了比較系統(tǒng)的研究,重點研究了硅微加速度傳感器的結構和工作原理、電學、力學特性等。②對微加速度傳感器信號獲取與處理的檢測電路進行了深...
(本文共75頁)
本文目錄 |
閱讀全文>>
權威出處： 重慶大學 碩士論文 2009年
南京理工大學
MEMS傳感器及在引信中的應用研究
微機電系統(tǒng)(MEMS)將對引信的發(fā)展提供其它技術不可比擬的技術支撐。本文主要內容可分為兩大部分：硅微加速度傳感器的設計、制造和測試；基于硅微加速度傳感器的引信發(fā)射環(huán)境的識別。文中首先分析了國內外硅微加速度傳感器研究所取得的成果，根據(jù)引信環(huán)境信息探測的要求確定了結構簡單、加工工藝相對容易、成本較低的壓阻式加速度傳感器作為引信發(fā)射環(huán)境識別的傳感器。在參數(shù)選擇基礎上，設計了傳感器的結構和工藝路線，并經過幾個批次的試制，成功地加工出了傳感器樣機，利用馬希特擊錘對傳感器樣機進行了動態(tài)標定，標定結果令人滿意。文中分析了基于硅微加速度傳感器的環(huán)境識別的引信安全性和可靠性，提出了基于加速度傳感器的引信發(fā)射環(huán)境識別的閾值+時間窗法。指出了由于采用加速度傳感器，引信安全系統(tǒng)的設計將由結構設計轉化為環(huán)境識別方法的軟件設計。提出了MEMS的發(fā)展在三個層次上可能改變未來引信的面貌，即部件級，可制作固態(tài)安全系統(tǒng)；產品級，導致固態(tài)引信的發(fā)展；系統(tǒng)級，實現(xiàn)制導...
(本文共96頁)
本文目錄 |
閱讀全文>>
權威出處： 南京理工大學 博士論文 2003年
今日科苑
叉指電容式汽車安全氣囊硅微加速度傳感器的設計和分析
本文對一種基于MEMS技術的2-D梳狀插指電容加速度傳感器的設計方案進行了分析、研究和仿...
(本文共2頁)
閱讀全文>>
權威出處： 《今日科苑》2010年20期
廈門大學
寬量程微加速度傳感器的研制
微機電系統(tǒng)(MEMS)是面向21世紀的高新科技,涉及到電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科,MEMS在21世紀將成為最重要、最活躍的研究領域之一。而微加速度計是微機電系統(tǒng)的一個很重要的方向,它廣泛應用到慣性導航和制導、生物醫(yī)療、農業(yè)、汽車工業(yè)、探礦測震、機器人、工業(yè)自動化、玩具等領域。本文設計了一種以MEMS技術為基礎的電容式力平衡硅微加速度傳感器,該傳感器主要采用SOI和硅-玻璃鍵合技術制作,形成了玻璃-硅-玻璃的三明治結構。該傳感器能滿足在大范圍內加速度的變化測量。就此本文開展了以下主要研究工作:1、分析幾種典型加速度傳感器的原理,并比較其優(yōu)缺點,結合現(xiàn)有實驗條件及課題寬量程的特點,提出電容式力平衡硅微加速度傳感器。2、對寬量程平衡式微加速度傳感器的工作原理進行分析、研究,設計傳感器的結構,建立了數(shù)學的模型,確定使系統(tǒng)穩(wěn)定必須滿足的條件,對系統(tǒng)安全必須滿足的條件進行分析,根據(jù)提出的結構,從理論上...
(本文共107頁)
本文目錄 |
閱讀全文>>
權威出處： 廈門大學 碩士論文 2005年
