MEMS諧振式加速度傳感器工作原理

摘要：目的——深入了解諧振式加速度計(jì)研究過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為后續(xù)的研究工作和實(shí)踐應(yīng)用提供指導(dǎo)。方法——通過(guò)收集大量資料及數(shù)據(jù)分析，論述MEMS諧振式加速度計(jì)的國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀，歸納并探討其在研究中所面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。結(jié)果與結(jié)論——針對(duì)MEMS諧振式加速度計(jì)的激勵(lì)與檢測(cè)電路、工藝誤差和封裝技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，提出了集成化、石英微加工和新材料將是提高M(jìn)EMS諧振式加速度計(jì)性能的必要途徑。

0引言

MEMS指由微型傳感器、執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源等構(gòu)成的微型機(jī)電系統(tǒng)。MEMS加速度計(jì)的類(lèi)型較多，主要有2大類(lèi)：位移傳感和力傳感。位移傳感器是通過(guò)對(duì)質(zhì)量塊位移的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)加速度的測(cè)量，可細(xì)分為電容測(cè)量式、電磁測(cè)量式等；力傳感是通過(guò)測(cè)量施加在可動(dòng)質(zhì)量塊上的力來(lái)測(cè)量加速度的。諧振式加速度計(jì)從原理上屬于力傳感類(lèi)。

諧振式加速度傳感器屬于典型的慣性器件，它是利用振梁的力與頻率的關(guān)系特性，諧振頻率的變化量與加速度成正比，加速度的大小是通過(guò)對(duì)諧振頻率的檢測(cè)得到的。MEMS諧振式加速度計(jì)主要包括質(zhì)量彈簧系統(tǒng)和微諧振器2個(gè)部分，其中，質(zhì)量彈簧系統(tǒng)負(fù)責(zé)感知外界的加速度，將慣性力施加于諧振器上引起諧振頻率發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)加速度信號(hào)的感知。微諧振器在傳感器中始終處于共振狀態(tài)，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)以較小的驅(qū)動(dòng)力激勵(lì)較大的振幅，在保證器件性能的同時(shí)降低了功耗，同時(shí)較大的振幅也便于采用各種方式來(lái)檢測(cè)振動(dòng)能量的變化，從而提高傳感器的感知能力；另一方面，有用的信號(hào)即共振頻率信號(hào)所攜帶的能量比其它信號(hào)所攜帶的能量更高，能夠降低其它非共振信號(hào)對(duì)傳感器的影響，提高傳感器的信噪比。

諧振式加速度計(jì)是微加速度計(jì)中的一類(lèi)，它是以微電子機(jī)械技術(shù)工藝為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，作為一種高性能器件，它的輸出為準(zhǔn)數(shù)字量，具有體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，與同類(lèi)器件相比它在穩(wěn)定性和測(cè)量精度方面具有很大的優(yōu)越性，且容易實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，其在航空航天慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)、武器穩(wěn)姿穩(wěn)瞄、無(wú)人駕駛、智能裝備制造、地震檢測(cè)等方面對(duì)加速度傳感器精度有很高要求的高精尖領(lǐng)域都有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值，已成為微傳感器的一個(gè)重要發(fā)展方向。近年來(lái)基于諧振原理，利用微機(jī)械加工技術(shù)研制的MEMS諧振式加速度計(jì)得到廣泛報(bào)道，國(guó)內(nèi)外的各研究機(jī)構(gòu)也取得了一些研究成果。

本文介紹了MEMS諧振式加速度傳感器工作原理，闡述了MEMS諧振式加速度計(jì)技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，以綜合的角度歸納并探討了諧振式加速度計(jì)研究過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上提出其今后的主要發(fā)展趨勢(shì)，為后續(xù)的研究工作提供一定的借鑒。

1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外從20世紀(jì)70年代開(kāi)始就對(duì)MEMS諧振式加速度計(jì)進(jìn)行研究，其中美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校、韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)和一些歐洲國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)等是最早進(jìn)行研究的單位。

硅諧振加速度計(jì)SOA（Silicon Oscillating Accelerometer）的概念于1997年首次由美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室提出，并先后研制出了SOA-1，SOA-2和SOA-3三代產(chǎn)品。前2代產(chǎn)品SOA-1，SOA-2僅僅通過(guò)增大質(zhì)量塊的質(zhì)量和降低懸臂梁的厚度來(lái)提高靈敏度，并未采用微杠桿力放大結(jié)構(gòu)，因此，效果十分有限。第3代產(chǎn)品SOA-3首次通過(guò)引入微杠桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了力的放大。從而SOA-3與SOA-2相比靈敏度有了很大的提高，由100Hz/g提高到197Hz/g，同時(shí)，可以減小質(zhì)量塊質(zhì)量和器件的尺寸，為加速度計(jì)的小型化提供空間。

Su SXP等人進(jìn)行的研究表明，對(duì)于單級(jí)和多級(jí)的柔性微杠桿，影響放大倍數(shù)的主要因素有輸出梁的軸向和彎曲剛度，為了得到最大的慣性力放大倍數(shù)，需要支點(diǎn)梁具有高的軸向剛度和小彎曲剛度。Su SXP等人基于該理論采用SOI-MEMS（Silicon On Insulator-Micro Electromechanical System）加工工藝，將2級(jí)微杠桿機(jī)構(gòu)運(yùn)用于加速度傳感器的設(shè)計(jì)中，完成了硅微諧振式加速度計(jì)的研制，其靈敏度達(dá)到了158Hz/g。另外，Ding H等人采用2級(jí)微杠桿結(jié)構(gòu)制作了微納諧振式加速度計(jì)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得通過(guò)優(yōu)化后2級(jí)放大結(jié)構(gòu)的放大倍數(shù)高達(dá)140倍，能夠顯著增大傳感器的靈敏度。

Seok S等人首次對(duì)基于靜電剛度變化的差分硅微諧振式加速度計(jì)進(jìn)行了研究。Seok S等人以單晶硅為材料，運(yùn)用真空封裝及硅——玻璃陽(yáng)極鍵合技術(shù)，研制出一種高性能諧振式加速度計(jì)。該傳感器是基于靜電調(diào)節(jié)效應(yīng)測(cè)量垂直方向的加速度，彈性梁承受的靜電力由于加速度產(chǎn)生的慣性力而發(fā)生變化，引起了彈性剛度系數(shù)的改變，從而改變了諧振頻率，實(shí)現(xiàn)了5.2μg加速度的測(cè)量，靈敏度可達(dá)128Hz/g。

Comi C等人設(shè)計(jì)了一種高靈敏度單軸諧振式加速度計(jì)，如圖1所示。該傳感器采用表面微加工工藝，由質(zhì)量塊、支撐梁、諧振器、驅(qū)動(dòng)檢測(cè)平板等結(jié)構(gòu)組成，由于對(duì)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，該加速度計(jì)的尺寸很小，靈敏度可達(dá)430Hz/g。同時(shí)在靜電剛度變化研究方面，Comi C等人對(duì)Seok S的加速度計(jì)在理論上進(jìn)一步進(jìn)行了推導(dǎo)，對(duì)諧振器和整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械性能進(jìn)行了研究，并對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

圖1 基于單梁軸向應(yīng)力的諧振加速度計(jì)

另外，基于石英材料的諧振式加速度計(jì)也是高精度加速度計(jì)技術(shù)的主要研究對(duì)象。由于石英材料壓電效應(yīng)，品質(zhì)因數(shù)較高，溫度特性比較穩(wěn)定，一直受到研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注和重視。法國(guó)航空航天研究院研制出了一種全石英振梁加速度計(jì)，如圖2（a）所示。其結(jié)構(gòu)采用了2級(jí)隔振機(jī)構(gòu)，工藝上采用了成本超低的濕式腐蝕工藝。該加速度計(jì)工作技術(shù)指標(biāo)為：測(cè)量范圍為±100g，標(biāo)度因數(shù)為24Hz/g，殘差為150μg，在-45~90℃溫度范圍內(nèi)的標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性小于10%，偏值穩(wěn)定性小于90μg。之后該公司又研制了適合微型化的差分式全石英振梁加速度計(jì)，其技術(shù)指標(biāo)為：測(cè)量范圍為±100g，在溫度范圍-40~80℃內(nèi)標(biāo)度因數(shù)為30Hz/g，殘差為2μg。

其后，該研究院又進(jìn)行了創(chuàng)新，在前2款全石英加速度計(jì)的基礎(chǔ)上通過(guò)增加質(zhì)量塊的質(zhì)量和擴(kuò)大放大倍數(shù)，研制了一種分辨率可達(dá)50ng的全石英振梁加速度計(jì)，其技術(shù)指標(biāo)為：在-40~80℃溫度范圍內(nèi)工作時(shí)標(biāo)度因數(shù)為440Hz/g，測(cè)量范圍為±10g，偏值穩(wěn)定性為0.1μg。2005年，ONERA為了提高加速度計(jì)的精度，有效地利用差分式結(jié)構(gòu)，制作出了一種差分一體式石英振梁加速度計(jì)樣機(jī)，如圖2（b）所示。

圖2 一體式石英振梁結(jié)構(gòu)圖

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

相對(duì)于國(guó)外而言，國(guó)內(nèi)對(duì)微機(jī)械加速度傳感器的研究較晚，20世紀(jì)80年代末才開(kāi)始相關(guān)的研究。主要研究單位有清華大學(xué)、北京大學(xué)、重慶大學(xué)、中國(guó)電子科技集團(tuán)等十幾所知名院校和科研機(jī)構(gòu)。目前，微機(jī)械加速度傳感器發(fā)展非?？?，正在加快產(chǎn)業(yè)化。其中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的有壓阻式和熱對(duì)流式加速度計(jì)，進(jìn)入小批量生產(chǎn)的有電容式微機(jī)械加速度計(jì)，國(guó)內(nèi)許多企業(yè)諸如美新半導(dǎo)體有限公司、北京青鳥(niǎo)元芯微系統(tǒng)公司在這個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化方面已處在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。它們雖然對(duì)微諧振式加速度計(jì)的研究起步較晚，但研究成果豐碩，具有良好的發(fā)展前景。

鐘瑩等人以雙端固定的音叉作為諧振器設(shè)計(jì)了基于DETF（Double-ended Tuning Fork）的諧振加速度計(jì)，如圖3所示。當(dāng)外部加速度沿oy方向作用時(shí)，音叉的軸向上會(huì)受到質(zhì)量塊的慣性力，引起音叉固有頻率的變化。在音叉臂上擴(kuò)散或淀積壓敏電阻，用以獲取音叉諧振頻率，由此測(cè)出外部加速度的值，經(jīng)過(guò)分析該傳感器的靈敏度大約為2Hz/g。

圖3 基于DETF的諧振加速度計(jì)結(jié)構(gòu)圖

賈玉斌等人設(shè)計(jì)了由1個(gè)質(zhì)量塊、2個(gè)音叉和一套由錨點(diǎn)支撐的彎曲杠桿系統(tǒng)組成的諧振式加速度計(jì)，并采用體硅加工工藝制作了該加速度計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，該加速度計(jì)的靈敏度能夠達(dá)到27.3Hz/g，分辨率為167.8μg。

北京航空航天大學(xué)基于差動(dòng)測(cè)試原理研制出了一種諧振式硅微機(jī)械加速度計(jì)；隨后設(shè)計(jì)了石英諧振器，分析了切型及切角對(duì)加速度計(jì)性能的影響，綜合運(yùn)用理論分析和仿真手段，分析了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)標(biāo)度因數(shù)的影響，仿真結(jié)果表明其在工作情況下的標(biāo)度因數(shù)為40Hz/g。

基于微機(jī)械加工技術(shù)，何高法等人設(shè)計(jì)了一種由柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)及雙端固定音叉諧振器構(gòu)成的微加速度計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得，其靈敏度大約為55.03Hz/g，分辨力大約為182x10-6g。

LI Cun等報(bào)道了一種基于單個(gè)石英DETF的面外（z軸）諧振式加速度計(jì)。如圖4所示，它主要由鉸鏈、諧振梁、檢測(cè)質(zhì)量塊等器件組成，檢測(cè)質(zhì)量塊由2個(gè)撓性鉸鏈支撐，諧振DETF處于兩鉸鏈之間。諧振梁表面上放置電極，用來(lái)激發(fā)面內(nèi)對(duì)稱(chēng)模態(tài)，使內(nèi)應(yīng)力和扭矩達(dá)到平衡，并提高了高品質(zhì)因數(shù)。后來(lái)他們對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)，由于石英和硅基底之間熱膨脹系數(shù)不同，為了減少熱誤差，增加了一個(gè)溫度隔離器，從而使熱膨脹系數(shù)不同而引起的熱應(yīng)力影響變小。

圖4 基于單個(gè)石英DETF的諧振加速度計(jì)

2關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

雖然MEMS諧振式加速度計(jì)取得了一些成果，但是目前還存在許多技術(shù)問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)，從3個(gè)方面進(jìn)行探討：激勵(lì)與檢測(cè)電路、工藝誤差和封裝技術(shù)。

（1）激勵(lì)與檢測(cè)電路

激勵(lì)是指采用一定的方法將加速度傳感器中的諧振器激勵(lì)處于振動(dòng)狀態(tài)，而檢測(cè)是指當(dāng)加速度改變諧振器的頻率時(shí)需要采用有關(guān)的電路將諧振器振動(dòng)頻率的變化讀出，作為傳感器的輸出。目前，采用硅材料的微諧振式加速度計(jì)工藝成熟、成本低，但它的主要問(wèn)題在于硅本身沒(méi)有壓電特性，需要借助于靜電力、熱膨脹力、電磁力或者通過(guò)沉積其他壓電材料等各種手段來(lái)激勵(lì)諧振器振動(dòng)。這些方式是采用閉環(huán)的電路方案來(lái)激勵(lì)和檢測(cè)諧振器的振動(dòng)，雖然它能夠提高傳感器的帶寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和線(xiàn)性度，但同時(shí)也容易引入噪音干擾，限制傳感器精度的進(jìn)一步提高。另外，復(fù)雜的電路也會(huì)限制加速度傳感器與微陀螺、原子鐘等器件的微納集成。因此，研究高精度閉環(huán)式的激勵(lì)和檢測(cè)電路，優(yōu)化現(xiàn)有閉環(huán)電路中的不同環(huán)節(jié)，對(duì)降低傳感器的噪聲和提高傳感器的精度具有重要意義。

（2）工藝誤差

石英晶體作為天然的諧振器加工材料，具有硅材料所不具備的2個(gè)優(yōu)勢(shì)：固有的壓電特性和良好的諧振器材料特性，前者使諧振式加速度計(jì)易于激勵(lì)振動(dòng)，后者保證傳感器具有高的品質(zhì)因數(shù)、低噪音和高精度。但是，相對(duì)于硅材料的微加工工藝來(lái)說(shuō)，石英的微加工工藝還是處于早期的濕法腐蝕階段，加工方法單一、精度低。同時(shí)石英材料復(fù)雜的晶向結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致濕法腐蝕很難加工出復(fù)雜的傳感器整體結(jié)構(gòu)，成品率難以控制導(dǎo)致成本較高。而感應(yīng)耦合等離子體刻蝕ICP（Inductively Coupled Plasma）作為干法刻蝕工藝的一種，其具有刻蝕速率快、精度高、表面形貌好、選擇比高、各向異性好、均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，是MEMS加工中的常用技術(shù)之一。開(kāi)展基于ICP技術(shù)的石英深干法刻蝕工藝的研究，通過(guò)工藝的優(yōu)化，得到更深的刻蝕深度和更好的陡直度，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)石英MEMS芯片的加工和石英諧振傳感器新結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)具有重要意義。

（3）封裝技術(shù)

諧振式加速度計(jì)的封裝就是提供給傳感器芯片和測(cè)量電路PCB合適的與外界系統(tǒng)和媒質(zhì)的電連接、保護(hù)、支撐以及人機(jī)接口的方法或裝置。硅諧振式加速度計(jì)由于需要引入外部激勵(lì)，從而使加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)和制作工藝十分復(fù)雜。同時(shí)，為了獲得較高的品質(zhì)因數(shù)，硅諧振式加速度計(jì)通常需要進(jìn)行真空封裝，其難點(diǎn)在于封裝應(yīng)力的降低和高真空度的長(zhǎng)期穩(wěn)定保持。而石英諧振式加速度計(jì)通常需要與硅等基底進(jìn)行組裝，這就難免會(huì)引入部分殘余應(yīng)力，影響加速度計(jì)的性能。因此，研究諸如低溫直接鍵合技術(shù)和硅轉(zhuǎn)接板TSV（Through-Silicon-Via）通孔技術(shù)等先進(jìn)的MEMS封裝技術(shù)，對(duì)器件的小型化、降低傳感器的殘余應(yīng)力、提高品質(zhì)因數(shù)和工作可靠性都具有重要意義。

3發(fā)展趨勢(shì)

MEMS諧振式加速度計(jì)是采用MEMS工藝制作的具有頻率數(shù)字信號(hào)輸出的傳感器，不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，能夠直接被數(shù)字處理芯片接收從而可以簡(jiǎn)化電路并提高精度。目前MEMS諧振式加速度計(jì)最主要的應(yīng)用是與微陀螺、原子鐘等組成微型慣導(dǎo)集系統(tǒng)，集成定位、導(dǎo)航和授時(shí)的功能，具有較好的應(yīng)用前景。針對(duì)MEMS諧振式加速度計(jì)在激勵(lì)與檢測(cè)電路、工藝誤差和封裝技術(shù)等方面存在的問(wèn)題，研究者們正在進(jìn)行不斷地研究與改進(jìn)，本文對(duì)MEMS諧振式加速度計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)提出3點(diǎn)展望：

（1）基于CMOS-MEMS工藝的諧振式加速度計(jì)是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向。將MEMS諧振式加速度計(jì)芯片集成在CMOS控制芯片上能夠使傳感器的整體結(jié)構(gòu)體積更小，成本更低。利用硅轉(zhuǎn)接板TSV通孔技術(shù)對(duì)諧振式加速度計(jì)進(jìn)行立體集成封裝，能夠有效減小器件的最短互連長(zhǎng)度，降低MEMS結(jié)構(gòu)與CMOS控制芯片之間電傳輸焦耳損耗大和信號(hào)傳輸畸變等難題，同時(shí)可以減小器件尺寸，降低成本。

（2）基于QMEMS技術(shù)的諧振式加速度計(jì)將成為未來(lái)高精度和高品質(zhì)因數(shù)諧振式加速度計(jì)的首選。QMEMS技術(shù)主要采用石英晶體作為主體加工材料，與硅材料不同，石英晶體本身具有壓電特性，是非常好的諧振器加工材料。采用石英晶體加工的諧振式傳感器能夠方便地通過(guò)壓電特性進(jìn)行激勵(lì)和檢測(cè)，有助于簡(jiǎn)化傳感器的結(jié)構(gòu)，同時(shí)石英諧振器還具有高品質(zhì)因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。另外，也可以采用硅和石英材料結(jié)合的方案來(lái)設(shè)計(jì)MEMS諧振式加速度計(jì)，利用石英的逆壓電特性來(lái)制作諧振器，同時(shí)采用硅來(lái)加工質(zhì)量彈簧系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)加工，充分結(jié)合2種材料的優(yōu)勢(shì)，從而提高加工精度，降低成本。

（3）基于新材料的諧振式加速度計(jì)是特種諧振式加速度計(jì)的發(fā)展方向。為了滿(mǎn)足航天、軍工等特殊工作環(huán)境下的高精度測(cè)量需要，對(duì)MEMS諧振式加速度傳感器的研究提出了新的挑戰(zhàn)和要求。隨著新材料的不斷發(fā)展，諧振器可以用SiC、SOI、SiN及聚合物等材料制作，為具有特殊性能的諧振式加速度計(jì)的設(shè)計(jì)制作提供了可能。已有研究表明，將SiC材料用于制作諧振式加速度計(jì)諧振器，它在抗沖擊、耐高溫等方面表現(xiàn)出了更加良好的性能。

4結(jié)束語(yǔ)

MEMS諧振式加速度計(jì)是采用MEMS工藝制作的具有頻率數(shù)字信號(hào)輸出的傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)加速度的數(shù)字化測(cè)量，具有精度高、響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，其在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、武器制導(dǎo)、無(wú)人飛行器/潛水器等領(lǐng)域具有廣泛的需求和應(yīng)用。本文綜述了目前MEMS諧振式加速度計(jì)的國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上探討了其研究所面臨的激勵(lì)與檢測(cè)電路、工藝誤差和封裝技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并提出了集成化、石英微加工和新材料將是今后MEMS諧振式加速度計(jì)的主要發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)今后的研究工作具有定的借鑒意義。