2-3-2 集成电容加速度传感器在线视频

这一讲我们来介绍

电容式加速度传感器

加速度传感器的基本原理

是基于牛顿第二定律

其基本的结构

是将一个质量块

通过一个弹性的元件

悬挂在一个参考支架上

当整个系统处于一个

具有加速度的环境中时

质量块由于加速度的作用

而产生一定的惯性力

在这个惯性力的作用下

对弹性元件进行伸长或者压缩

如果我们能够检测到质量块

相对于参考支架的位移的话

我们就可以得到

整个系统的加速度

这个图是加速度传感器的

一个数学模型的示意图

它可以由这样一个

微分方程进行分析

在这样一个式子中

a代表外界的加速度

K为弹性原件的有效弹性系数

而D为阻尼系数

M为质量块的质量

通过对这样一个

微分方程进行拉伸变换

我们就可以得到

质量块位移的传递函数

也就是这样一个式子

在这个式子中

ωr为整个系统的谐振频率

Q为系统的品质因数

在这个系统中质量块M的位移

我们可以视为

整个系统

测量加速度的灵敏度

灵敏度S可以

通过计算惯性力F

与弹性系数K的比值可以得到

通过对这个式子的一个转换

我们还可以得到

系统的灵敏度等于

加速度除以自振频率的平方

对于加速度传感器而言

其极限分辨率取决于质量块

由热运动产生的噪声

我们可以通过机电类比法

得到传感器的

等效加速度的谱密度

或者说总噪声等效加速度

由这样一个式子来描述

TNEA为总噪声等效加速度

在这个式子中

kb为波尔兹曼常数

T为温度

M为质量块的质量

因此为了降低

加速度传感器的噪声

我们需要比较大的敏感质量块

以及比较高的品质因数

因此为了得到

低噪声高灵敏度的

加速度传感器

我们更倾向于

利用体硅加工的方式

来制造硅加速度传感器

这个图是一个典型的

用体硅技术制作加工的

硅加速度电容式传感器

这个器件的工艺

主要采用了我们上一讲

介绍过的阳极键合技术

这个结构中间

是用各向异性工艺制造的

硅悬臂梁结构

中间的质量块其厚度

等于硅片的厚度

硅质量块的上面和下面

分别用玻璃进行封接

形成一个腔体

而在上下两个玻璃结构上

我们都制作有电极

这样上下两个电极

与中间的硅结构

就形成了一个插分的

平板式电容结构

对于大多数由

体硅工艺制造的

集成微加速度计而言

其敏感轴一般都是

垂直于芯片表面

这种加速度传感器

我们称之为z轴加速度计

然而在很多实际应用中

人们希望能够用一个传感器

同时检测x y z

3个方向的加速度值

这个图就是一个能够同时实现

x y z 3轴检测的

电容式加速度传感器的

结构示意图和工作原理图

与z轴加速度传感器不同

这个传感器有

四个相互垂直的悬臂梁

质量块上有四个电容电极

与封接玻璃上的四个电极

构成四个检测电容

质量块的质心

要低于悬臂梁所在的平面

这个结构称之为

非对称的悬臂梁结构

当传感器受到z方向的

加速度作用的时候

四个检测电容的电容值

同时增大或者减小

当传感器受到水平方向的

加速度作用的时候

比如说x方向的加速度

那么由于质量块的质心

要低于悬臂梁所在的平面

那么x方向的加速度使得

质量块上

这两个电容的变化方向

与这两个电容的变化方向

就会相反

同样的道理

当传感器受到y方向的

加速度作用的时候

这两个电容的变化值

与这两个电容的变化值

方向就会相反

因此通过分析四个检测电容的

相对变化特点

测量检测电容的电容值

我们就可以获得

x y z 3个方向的加速度信息

用体硅工艺制作

电容式微加速度传感器

虽然其灵敏度会比较高

但是它也会有一些其它的缺点

首先由于电容的间隙

需要用键合的工艺来制作

那么键合片之间的热胀冷缩效应

会产生一些残余的应力

从而导致其长期的一些

传感器的稳定性的问题

其次当结构比较大

而电容的间隙比较小的时候

间隙本身会产生比较大的阻尼

这就要求整个系统

需要封装在一个

压力受到控制的环境中

以控制系统的阻尼

第三个这样一种工艺

与集成电路工艺不容易结合

因此基于这样一些问题

很多电容式加速度传感器

也利用了表面工艺进行制作

下面我们介绍一种典型的

电容式表面工艺制作的

微加速度传感器

这就是这类加速传感器的

一个典型的例子

一个比较大的膜片结构

由四个弹性的悬臂梁

支撑在机体上

膜片作为质量块来检测

受到的z方向的加速度

当膜片在加速度的作用下

产生z方向的位移的时候

我们通过检测

膜片与基底之间的电容的变化

就可以得到外加的加速度的值

然而当我们检测膜片

与基底之间的电容变化的时候

我们必须在基底和膜片之间

施加电压

这样一个电压

会由于静电力的作用

使得膜片与基底之间

产生静电吸引

这样一个效应使得传感器的性能

会受到很大的负面的影响

为了解决这类加速度传感器的

静电吸引问题

在膜片的四周设计了

静电梳齿驱动结构

其工作原理可以由这个图

大家可以看到

当我们给膜片上的梳齿

和机体上的梳齿之间

施加电压的时候

在两个梳齿之间

将会形成一定的静电场

这个图描述了梳齿间

静电场的电力线分布图

通过电力线的分布我们可以看到

膜片上方电力线的密度

明显高于膜片与基底之间

电力线的密度

这样就说明

膜片将会受到一个向上的静电力

这样一个静电力就会抵消

测量膜片电容的

电压产生的静电力

从而抵消了电容检测电压

产生静电吸引的负面效应

此外

我们还可以利用梳齿结构来制作

横向结构的电容式加速度传感器

而这样一种结构

在我们的微纳加工制作的器件中

使用的是非常非常多的

梳齿结构既可以制作

电容式的敏感器件

也可以作为静电的驱动结构

来使用

利用梳齿结构制作

插分式电容式加速度传感器

可以采用这样一个类似的结构

这个结构是采用表面工艺

制作梳齿式加速度传感器的

一个顶视结构图

传感器的敏感轴

与硅片表面相平行

也就是说这个图中的x方向

采用插指式的电容结构

制作加速度传感器

在产业中获得了巨大的成功

这张图是美国模拟器件公司

出品的电容式加速度传感器

它的核心芯片的光学照片

这个传感器

采用了表面微加工技术

利用了插指电容结构

多晶硅是弹性元件

和支撑结构的材料