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MEMS谐振式加速度计技术发展的研究
作者:百家乐网址  来源:百家乐怎么玩  时间:2019-11-09 05:26  点击:

  陕西宝鸡文理学院机械工程学院,陕西省机器人关键零部件先进制造与评估省市共建重点实验室

  摘要:目的——深入了解谐振式加速度计研究过程中的关键技术问题,为后续的研究工作和实践应用提供指导。方法——通过收集大量资料及数据分析,论述MEMS谐振式加速度计的国内外技术研究现状,归纳并探讨其在研究中所面临的关键技术问题。结果与结论——针对MEMS谐振式加速度计的激励与检测电路、工艺误差和封装技术等关键技术,提出了集成化、石英微加工和新材料将是提高MEMS谐振式加速度计性能的必要途径。

  MEMS指由微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源等构成的微型机电系统。MEMS加速度计的类型较多,主要有2大类:位移传感和力传感。位移传感器是通过对质量块位移的测量来实现加速度的测量,可细分为电容测量式、电磁测量式等;力传感是通过测量施加在可动质量块上的力来测量加速度的。谐振式加速度计从原理上属于力传感类。

  谐振式加速度传感器属于典型的惯性器件,它是利用振梁的力与频率的关系特性,谐振频率的变化量与加速度成正比,加速度的大小是通过对谐振频率的检测得到的。MEMS谐振式加速度计主要包括质量弹簧系统和微谐振器2个部分,其中,质量弹簧系统负责感知外界的加速度,将惯性力施加于谐振器上引起谐振频率发生变化,实现加速度信号的感知。微谐振器在传感器中始终处于共振状态,一方面能够实现以较小的驱动力激励较大的振幅,在保证器件性能的同时降低了功耗,同时较大的振幅也便于采用各种方式来检测振动能量的变化,从而提高传感器的感知能力;另一方面,有用的信号即共振频率信号所携带的能量比其它信号所携带的能量更高,能够降低其它非共振信号对传感器的影响,提高传感器的信噪比。

  谐振式加速度计是微加速度计中的一类,它是以微电子机械技术工艺为基础发展起来的,作为一种高性能器件,它的输出为准数字量,具有体积小、功耗低等优点,与同类器件相比它在稳定性和测量精度方面具有很大的优越性,且容易实现批量化生产,其在航空航天惯性导航与制导、武器稳姿稳瞄、无人驾驶、智能装备制造、地震检测等方面对加速度传感器精度有很高要求的高精尖领域都有着十分重要的应用价值,已成为微传感器的一个重要发展方向。近年来基于谐振原理,利用微机械加工技术研制的MEMS谐振式加速度计得到广泛报道,国内外的各研究机构也取得了一些研究成果。

  本文介绍了MEMS谐振式加速度传感器工作原理,阐述了MEMS谐振式加速度计技术的发展历程及现状,以综合的角度归纳并探讨了谐振式加速度计研究过程中的关键技术问题,在此基础上提出其今后的主要发展趋势,为后续的研究工作提供一定的借鉴。

  国外从20世纪70年代开始就对MEMS谐振式加速度计进行研究,其中美国加州大学Berkeley分校、韩国首尔国立大学和一些欧洲国家的研究机构等是最早进行研究的单位。

  硅谐振加速度计SOA(Silicon Oscillating Accelerometer)的概念于1997年首次由美国Draper实验室提出,并先后研制出了SOA-1,SOA-2和SOA-3三代产品。前2代产品SOA-1,SOA-2仅仅通过增大质量块的质量和降低悬臂梁的厚度来提高灵敏度,并未采用微杠杆力放大结构,因此,效果十分有限。第3代产品SOA-3首次通过引入微杠杆结构实现了力的放大。从而SOA-3与SOA-2相比灵敏度有了很大的提高,由100Hz/g提高到197Hz/g,同时,可以减小质量块质量和器件的尺寸,为加速度计的小型化提供空间。

  Su SXP等人进行的研究表明,对于单级和多级的柔性微杠杆,影响放大倍数的主要因素有输出梁的轴向和弯曲刚度,为了得到最大的惯性力放大倍数,需要支点梁具有高的轴向刚度和小弯曲刚度。Su SXP等人基于该理论采用SOI-MEMS(Silicon On Insulator-Micro Electromechanical System)加工工艺,将2级微杠杆机构运用于加速度传感器的设计中,完成了硅微谐振式加速度计的研制,其灵敏度达到了158Hz/g。另外,Ding H等人采用2级微杠杆结构制作了微纳谐振式加速度计,实验测得通过优化后2级放大结构的放大倍数高达140倍,能够显著增大传感器的灵敏度。

  Seok S等人首次对基于静电刚度变化的差分硅微谐振式加速度计进行了研究。Seok S等人以单晶硅为材料,运用真空封装及硅——玻璃阳极键合技术,研制出一种高性能谐振式加速度计。该传感器是基于静电调节效应测量垂直方向的加速度,弹性梁承受的静电力由于加速度产生的惯性力而发生变化,引起了弹性刚度系数的改变,从而改变了谐振频率,实现了5.2μg加速度的测量,灵敏度可达128Hz/g。

  Comi C等人设计了一种高灵敏度单轴谐振式加速度计,如图1所示。该传感器采用表面微加工工艺,由质量块、支撑梁、谐振器、驱动检测平板等结构组成,由于对结构几何参数进行了优化,该加速度计的尺寸很小,灵敏度可达430Hz/g。同时在静电刚度变化研究方面,Comi C等人对Seok S的加速度计在理论上进一步进行了推导,对谐振器和整个系统的机械性能进行了研究,并对结构参数进行了优化。

  另外,基于石英材料的谐振式加速度计也是高精度加速度计技术的主要研究对象。由于石英材料压电效应,品质因数较高,温度特性比较稳定,一直受到研究机构的关注和重视。法国航空航天研究院研制出了一种全石英振梁加速度计,如图2(a)所示。其结构采用了2级隔振机构,工艺上采用了成本超低的湿式腐蚀工艺。该加速度计工作技术指标为:测量范围为±100g,标度因数为24Hz/g,残差为150μg,在-45~90℃温度范围内的标度因数稳定性小于10%,偏值稳定性小于90μg。之后该公司又研制了适合微型化的差分式全石英振梁加速度计,其技术指标为:测量范围为±100g,在温度范围-40~80℃内标度因数为30Hz/g,残差为2μg。

  其后,该研究院又进行了创新,在前2款全石英加速度计的基础上通过增加质量块的质量和扩大放大倍数,研制了一种分辨率可达50ng的全石英振梁加速度计,其技术指标为:在-40~80℃温度范围内工作时标度因数为440Hz/g,测量范围为±10g,偏值稳定性为0.1μg。2005年,ONERA为了提高加速度计的精度,有效地利用差分式结构,制作出了一种差分一体式石英振梁加速度计样机,如图2(b)所示。

  相对于国外而言,国内对微机械加速度传感器的研究较晚,20世纪80年代末才开始相关的研究。主要研究单位有清华大学、北京大学、重庆大学、中国电子科技集团等十几所知名院校和科研机构。目前,微机械加速度传感器发展非常快,正在加快产业化。其中已经实现产业化的有压阻式和热对流式加速度计,进入小批量生产的有电容式微机械加速度计,国内许多企业诸如美新半导体有限公司、北京青鸟元芯微系统公司在这个领域的产业化方面已处在国内领先地位。它们虽然对微谐振式加速度计的研究起步较晚,但研究成果丰硕,具有良好的发展前景。

  钟莹等人以双端固定的音叉作为谐振器设计了基于DETF(Double-ended Tuning Fork)的谐振加速度计,如图3所示。当外部加速度沿oy方向作用时,音叉的轴向上会受到质量块的惯性力,引起音叉固有频率的变化。在音叉臂上扩散或淀积压敏电阻,用以获取音叉谐振频率,由此测出外部加速度的值,经过分析该传感器的灵敏度大约为2Hz/g。

  贾玉斌等人设计了由1个质量块、2个音叉和一套由锚点支撑的弯曲杠杆系统组成的谐振式加速度计,并采用体硅加工工艺制作了该加速度计,通过实验室测试,该加速度计的灵敏度能够达到27.3Hz/g,分辨率为167.8μg。

  北京航空航天大学基于差动测试原理研制出了一种谐振式硅微机械加速度计;随后设计了石英谐振器,分析了切型及切角对加速度计性能的影响,综合运用理论分析和仿真手段,分析了各结构参数对标度因数的影响,仿真结果表明其在工作情况下的标度因数为40Hz/g。

  基于微机械加工技术,何高法等人设计了一种由柔性铰链机构及双端固定音叉谐振器构成的微加速度计,通过实验测试得,其灵敏度大约为55.03Hz/g,分辨力大约为182x10-6g。

  LI Cun等报道了一种基于单个石英DETF的面外(z轴)谐振式加速度计。如图4所示,它主要由铰链、谐振梁、检测质量块等器件组成,检测质量块由2个挠性铰链支撑,谐振DETF处于两铰链之间。谐振梁表面上放置电极,用来激发面内对称模态,使内应力和扭矩达到平衡,并提高了高品质因数。后来他们对原结构进一步改进,由于石英和硅基底之间热膨胀系数不同,为了减少热误差,增加了一个温度隔离器,从而使热膨胀系数不同而引起的热应力影响变小。

  虽然MEMS谐振式加速度计取得了一些成果,但是目前还存在许多技术问题需要进一步研究和改进,从3个方面进行探讨:激励与检测电路、工艺误差和封装技术。

  激励是指采用一定的方法将加速度传感器中的谐振器激励处于振动状态,而检测是指当加速度改变谐振器的频率时需要采用有关的电路将谐振器振动频率的变化读出,作为传感器的输出。目前,采用硅材料的微谐振式加速度计工艺成熟、成本低,但它的主要问题在于硅本身没有压电特性,需要借助于静电力、热膨胀力、电磁力或者通过沉积其他压电材料等各种手段来激励谐振器振动。这些方式是采用闭环的电路方案来激励和检测谐振器的振动,虽然它能够提高传感器的带宽、动态响应和线性度,但同时也容易引入噪音干扰,限制传感器精度的进一步提高。另外,复杂的电路也会限制加速度传感器与微陀螺、原子钟等器件的微纳集成。因此,研究高精度闭环式的激励和检测电路,优化现有闭环电路中的不同环节,对降低传感器的噪声和提高传感器的精度具有重要意义。

  石英晶体作为天然的谐振器加工材料,具有硅材料所不具备的2个优势:固有的压电特性和良好的谐振器材料特性,前者使谐振式加速度计易于激励振动,后者保证传感器具有高的品质因数、低噪音和高精度。但是,相对于硅材料的微加工工艺来说,石英的微加工工艺还是处于早期的湿法腐蚀阶段,加工方法单一、精度低。同时石英材料复杂的晶向结构也导致湿法腐蚀很难加工出复杂的传感器整体结构,成品率难以控制导致成本较高。而感应耦合等离子体刻蚀ICP(Inductively Coupled Plasma)作为干法刻蚀工艺的一种,其具有刻蚀速率快、精度高、表面形貌好、选择比高、各向异性好、均匀性好等优点,是MEMS加工中的常用技术之一。开展基于ICP技术的石英深干法刻蚀工艺的研究,通过工艺的优化,得到更深的刻蚀深度和更好的陡直度,对复杂结构石英MEMS芯片的加工和石英谐振传感器新结构的开发具有重要意义。

  谐振式加速度计的封装就是提供给传感器芯片和测量电路PCB合适的与外界系统和媒质的电连接、保护、支撑以及人机接口的方法或装置。硅谐振式加速度计由于需要引入外部激励,从而使加速度计的结构和制作工艺十分复杂。同时,为了获得较高的品质因数,硅谐振式加速度计通常需要进行真空封装,其难点在于封装应力的降低和高真空度的长期稳定保持。而石英谐振式加速度计通常需要与硅等基底进行组装,这就难免会引入部分残余应力,影响加速度计的性能。因此,研究诸如低温直接键合技术和硅转接板TSV(Through-Silicon-Via)通孔技术等先进的MEMS封装技术,对器件的小型化、降低传感器的残余应力、提高品质因数和工作可靠性都具有重要意义。

  MEMS谐振式加速度计是采用MEMS工艺制作的具有频率数字信号输出的传感器,不需要模数转换环节,能够直接被数字处理芯片接收从而可以简化电路并提高精度。目前MEMS谐振式加速度计最主要的应用是与微陀螺、原子钟等组成微型惯导集系统,集成定位、导航和授时的功能,具有较好的应用前景。针对MEMS谐振式加速度计在激励与检测电路、工艺误差和封装技术等方面存在的问题,研究者们正在进行不断地研究与改进,本文对MEMS谐振式加速度计的发展趋势提出3点展望:

  (1)基于CMOS-MEMS工艺的谐振式加速度计是未来发展的一个重要方向。将MEMS谐振式加速度计芯片集成在CMOS控制芯片上能够使传感器的整体结构体积更小,成本更低。利用硅转接板TSV通孔技术对谐振式加速度计进行立体集成封装,能够有效减小器件的最短互连长度,降低MEMS结构与CMOS控制芯片之间电传输焦耳损耗大和信号传输畸变等难题,同时可以减小器件尺寸,降低成本。

  (2)基于QMEMS技术的谐振式加速度计将成为未来高精度和高品质因数谐振式加速度计的首选。QMEMS技术主要采用石英晶体作为主体加工材料,与硅材料不同,石英晶体本身具有压电特性,是非常好的谐振器加工材料。采用石英晶体加工的谐振式传感器能够方便地通过压电特性进行激励和检测,有助于简化传感器的结构,同时石英谐振器还具有高品质因数等优点。另外,也可以采用硅和石英材料结合的方案来设计MEMS谐振式加速度计,利用石英的逆压电特性来制作谐振器,同时采用硅来加工质量弹簧系统以实现复杂结构的精细加工,充分结合2种材料的优势,从而提高加工精度,降低成本。

  (3)基于新材料的谐振式加速度计是特种谐振式加速度计的发展方向。为了满足航天、军工等特殊工作环境下的高精度测量需要,对MEMS谐振式加速度传感器的研究提出了新的挑战和要求。随着新材料的不断发展,谐振器可以用SiC、SOI、SiN及聚合物等材料制作,为具有特殊性能的谐振式加速度计的设计制作提供了可能。已有研究表明,将SiC材料用于制作谐振式加速度计谐振器,它在抗冲击、耐高温等方面表现出了更加良好的性能。

  MEMS谐振式加速度计是采用MEMS工艺制作的具有频率数字信号输出的传感器,能够实现加速度的数字化测量,具有精度高、响应快、动态范围大等优点,其在惯性导航系统、武器制导、无人飞行器/潜水器等领域具有广泛的需求和应用。本文综述了目前MEMS谐振式加速度计的国内外技术研究现状,在此基础上探讨了其研究所面临的激励与检测电路、工艺误差和封装技术等关键技术问题,并提出了集成化、石英微加工和新材料将是今后MEMS谐振式加速度计的主要发展趋势,对今后的研究工作具有定的借鉴意义。返回搜狐,查看更多

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