第十五章MEMS传感器

第15章MEMS传感器15.1概述15.2MEMS传感器分类15.3MEMS加速度计15.3.1压阻式MEMS加速度计15.3.2电容式MEMS加速度计15.3.3静电力平衡式MEMS加速度计15.3.4石英振梁式MEMS加速度计15.3.5隧道效应MEMS加速度计15.4MEMS陀螺15.4.1石英音叉MEMS振动陀螺仪15.4.2MEMS硅双框架振动陀螺仪15.4.3MEMS硅梳状驱动振动陀螺仪15.4.4MEMS静电陀螺仪15.5MEMS传感器的信号调理15.5.1MEMS压阻式传感器的信号调理15.5.2MEMS电容式传感器的信号调理15.5.3MEMS谐振式传感器的信号调理15.1概述MEMS这个词是MicroelectromechanicalSystem的缩写，通常称为微型机电系统。微型机电系统(MEMS)是指可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。15.2MEMS传感器分类通过MEMS加工技术制备的新一代传感器件，具有小型化、集成化的特点。(1)可以极大地提高传感器性能。在信号传输前就可放大信号，从而减少干扰和传输噪音，提高信噪比；在芯片上集成反馈线路和补偿线路，可改善输出的线性度和频响特性，降低误差，提高灵敏度。(2)具有阵列性。可以在一块芯片上集成敏感元件、放大电路和补偿线路。可以把多个相同的敏感元件集成在同一芯片上。(3)具有良好的兼容性，便于与微电子器件集成与封装。(4)利用成熟的硅微半导体工艺加工制造，可以批量生产，成本非常低廉。MEMS传感器没有统一的分类方法，按照目前的MEMS传感器产品和研究情况，本书将目前的MEMS传感器分为十类，包括微机械加速度传感器、微机械角速度传感器、微型压力传感器、微型磁传感器、微型热传感器、微型气敏传感器、微型光传感器、微型电场传感器、微型生物传感器、微型化学传感器等，本章将介绍常见的MEMS加速度计与MEMS陀螺。15.3MEMS加速度计加速度计在许多不同的领域均有应用，例如：配有气囊的汽车、航海器、心房脉动探测器、机器监控等。由于MEMS加速度计在许多设计中，能减小费用/批量、改善性能，因此正飞速地开辟新的应用领域。MacDonald和Giachino都对MEMS加速度计在汽车领域的应用作了很好的综述。保护罩内的应用-40～125ºC大部分应用-40～85ºC温度范围水平运动（对气囊可高达1KHz）0.5～50Hz垂直运动0～5Hz频率响应1米高度自由落体到混凝土上>500g耐冲击所有应用<1%～3%横轴灵敏度极限温度下5%±2%精度导向反馈±100º/s气囊±50g轮运动±40g垂直体运动±2g反锁闸（ABS）/牵引控制系统（TCS）±1g量程应用领域指标特性MEMS加速度计又称硅加速度计，它感测加速度的原理仍与一般的加速度计相同。根据读取元件的不同，微机械加速度计又有压阻式、电容式、静电平衡式和石英振梁式之分。200~100000g抗震-55～+85ºC工作温度范围5×10-5标度因数非线性1×10-4标度因数短期稳定性3×10-4标度因数长期稳定性2×10-4g/g2对线振动敏感偏置误差5×10-4g偏置误差短期稳定性1.5×10-3g偏置误差长期稳定性70g测量加速度最大值预计指标性能参数15.3.1压阻式MEMS加速度计硅制检测质量由单挠性臂或双挠性臂支承，在挠性臂处采用离子注入法形成压敏电阻。压阻式加速度计原理结构如图所示。其工作原理为：当有加速度a输入时，检测质量受到惯性力作用产生偏转，并在挠性臂上产生应力，使压敏电阻的电组织发生变化，从而提供一个正比于输入加速度的输出信号。经过20年的研究和开发，关于压阻式加速度传感器的设计已经形成了一套比较成熟的理论体系，它具有加工艺简单，测量方法易行，线性度好等优点，已经于80年代末得到广泛应用。但是，压阻式加速度传感器有两个很严重的缺点：温度效应严重；灵敏度较低，一般只能到1mg（即）。通过温度控制电路可以对温度效应进行补偿，但提高灵敏度方面难度很大。15.3.2电容式MEMS加速度计电容式MEMS加速度计类似压阻式加速度计，区别是在检测质量下面设置一个读取电极，而不是注入压敏电阻。组成结构原理如图所示。其工作原理为：当加速度输入使检测质量偏转时，由读取电极与检测质量所构成电容器的电容量发生变化，从而提供一个正比于输入加速度的输出信号。为了提高测量灵敏度，可采用差动电容式方案。差动电容式加速度计的组成结构如图所示。其工作原理为硅制检测质量由双挠性臂或四挠性臂支承，在检测质量两侧的仪 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壳体上各设置一个电极。在硅制检测质量的表面上也需要进行金属化处理，它与二个电极之间便形成具有公共电极的二个电容器。当加速度输入使检测质量偏转（对双挠性臂支承方案）或平移（对四挠性臂支承方案）时，两个电容器的电容量发生差动变化，从而提供一个正比于输入加速度的输出信号。电容式加速度传感器具有温度效应小，灵敏度相对较高，可达0.01mg(即)，加工工艺不复杂等优点，也是目前应用很广泛的一种加速度传感器，缺点在于，需要测量小电容，因而测试方法复杂，同时，由于分布电容和电磁干扰的影响，测试精确度不高。改进的方法是，在传感器与测试电路之间加入前置电路以去除干扰。15.3.3静电力平衡式MEMS加速度计压阻式或电容式微机械加速度计均是开环工作方式。当沿输入轴的加速度使检测质量产生偏转时，还将敏感沿交叉轴的加速度而引起交叉耦合误差，影响加速度计的测量精度。采用闭环工作方式可以克服这一不足。静电力平衡式MEMS加速度计即属于此种类型。它利用力平衡回路产生的静电力（或力矩）来平衡加速度引起的作用在检测质量上的惯性力（或力矩）。施加在用以产生静电力（或力矩）的电极上的控制电压，可作为输入加速度的量度。其基本结构与上述差动电容式相同，但增加了一个静电力平衡回路。图为静电平衡式加速度计原理结构图。每个电极静电吸引力的大小都与所施加的电场强度的平方成正比。由于静电力平衡回路具有足够高的增益，检测质量的偏角极小，即极板的间隙变化极小时，静电力矩便平衡了惯性力矩，故可以近似认为每个电极静电吸引力之矩均为所施加的电压的平方成正比。据此得到静电力矩的大小为，式中，k为系数，它取决于介电常数、电极的几何形状及极板的初始间隙。将和带入上式，可得，静电力矩的方向恰与惯性力矩的方向相反，它具有恢复力矩的性质。当静电力平衡回路到达稳态时，有，于是得到。这表明，如果把控制电压作为输出，则该输出电压与输入加速度a成正比。15.3.4石英振梁式MEMS加速度计在石英振梁MEMS加速度计中，利用石英振梁或者称谐振器作为力的监测元件。石英振梁是在晶片上采用光刻工艺加工而成。长而薄的石英晶体以一定的频率振动，其谐振频率取决于它的几何形状和物理特性。如果晶体不受力时以某一谐振频率振动，则在受拉力作用时频率将增大，受压力作用时频率减小。当有加速度输入时，加速度计中检测质量的惯性力将作用在谐振器上，使谐振频率上升或下降。石英振梁式MEMS加速度计可获得较高的测量精度。它有单振梁和双振梁两种结构形式。为了改善加速度计的偏置稳定性和信噪比，通常采用双振梁即双谐振器结构形式。石英振梁式MEMS加速度计的工作原理：假定无加速度输入时，两个谐振器的谐振频率相等，均为。当有加速度输入时，检测质量的惯性力使其中一个谐振器受拉力作用，并使另一个谐振器受压力作用。于是，前者的谐振频率上升，从增到；后者的谐振频率下降，从减至。两个谐振器的频率之差（-）与输入加速度a成正比。从这种加速度计可以直接获得导航系统所需要的速度增量信息。速度增量的计算公式为，式中K是刻度系数；N1和N2分别是一个采样周期T内两个谐振器输出累积的计数可表示为，；因此速度增量公式可以写成，即可得到加速度。15.3.5隧道效应MEMS加速度计硅层通过静电键合支撑在底层玻璃片上。检验质量、隧道尖电极和悬臂梁都制作在硅片上。通过双面腐蚀制作出的检验质量与硅片等厚,表面尺寸为2ｍｍ×2ｍｍ。为了减小偏轴误差,分别在检验质量的两面各制作了一组支撑悬臂梁。每组悬臂梁由四个折叠的浓硼掺杂硅梁组成。在隧道硅尖上溅射上Ｃｒ/Ｐｔ/Ａｕ多层金属作为隧道电极.铬金属层为黏附层,用来增加硅和金属层的黏附性。铂金属层为阻挡层,用来阻挡铬原子向金表面迁移。铬原子迁移到表面就会迅速氧化,从而使隧道效应失效。金是隧道电极的理想金属,因为它不与环境中的气体分子发生反应。底层玻璃片是硅结构层和上层玻璃片的支撑层,在其上面制作有两个金属电极。1个电极为第2个隧道电极,另一个电极为下偏转电极。上层玻璃片键合在硅片上,制作有保护电极。所有的电极都是Ｃｒ/Ｐｔ/Ａｕ多层金属。电子隧道加速度传感器的工作原理和ＳＴＭ（扫描隧道显微镜）一样，隧道式加速度计原理结构图如图左所示。图右为隧道式加速度计原理电路图。利用隧道效应做加速度传感器，可以得到极高的灵敏度，大约在左右；而且由于是电流检测，抗干扰能力很强，温度效应小；由于质量块的机械活动范围小，因而其线性度高，可靠性好，是加速度传感器在高灵敏度，高可靠性方面应用的一个典型代表，也是加速度传感器发展的一个重要方向，成为目前加速度传感器研究的热门之一。而由于其精密性，造成了加工难度大的困难，成品率不高。隧道加速度计自出现以来显示了巨大前景。今后的研究主要关注于提高灵敏度，降低工作电压等方面。理论上由于器件尺寸缩小，热噪声变得不可忽视，关于噪声的理论研究越来越重要。15.4MEMS陀螺陀螺是一种用于测量旋转速度或旋转角的仪器。它在运输系统，例如导航、刹车调节控制和加速度测量等方面有很多应用。传统的陀螺可分成两类：光学式和机械式。光学式陀螺利用光环使光束在相反方向旋转。当陀螺结构旋转时，检测光束的多普勒位移。机械式陀螺通常使用振动结构，尤其是MEMS陀螺仪。基本原理是依赖哥氏加速度的产生和探测。目前MEMS陀螺仪作为世界上微型陀螺仪的发展方向，受到广泛而密切的关注，这里就MEMS陀螺仪进行介绍。MEMS陀螺仪是一种很特殊的振动加速度计，专门测量哥氏（Coriolis）加速度。所有振动陀螺仪的基本工作原理依赖哥氏加速度的产生和探测。图为MEMS陀螺仪基本原理。一个最基本的振动陀螺仪包括一个处于悬浮状态的检测质量块，可以在两个正交方向上移动。这个质量块必须运动才能产生哥氏加速度。这样，质量块就会在一个平行于表面方向（图的左右方向）上振动。如果陀螺仪绕垂直于表面方向的轴转动，那么哥氏加速度会导致质量块沿另一个方向（图中的上下方向）偏转。其中振动的振幅与旋转的角速度成正比，所以几乎和加速度计一样的电容传感器就得到了一个和角速度成比例的电压值。尽管这看起来很简单，但是制作一个有效的MEMS陀螺仪还是需要很高的技术。目前世界上微机械陀螺仪预计能达到性能指标。-55～+85ºC工作温度范围5×10-5标度因数短期稳定性2×10-4标度因数长期稳定性0.4º/h/g对线振动敏感的漂移率1º/h/g对加速度敏感的漂移率1º/h随机漂移率短期稳定性10º/h随机漂移率长期稳定性1000º/s测量角速度最大值预计指标性能参数15.4.1石英音叉MEMS振动陀螺仪音叉振动式MEMS陀螺仪采用石英晶体作为音叉的材料，并由化学蚀刻成，然后再用激光修刻调整平衡。音叉作为支承，与仪表壳体相固连。在音叉双臂的表面设置激振电极和读取电极，这些电极是在音叉表面先沉积一薄层铬再沉积一薄层金而成。音叉的激振由石英晶体的逆压电效应实现，信号的读取由石英晶体的压电效应实现，图为音叉式陀螺仪原理结构图。音叉振动式MEMS陀螺仪的原理：在激振电极上施加交变电压使音叉双臂以谐振频率振动，音叉双臂上各质点就沿y轴振动（因振幅很小，故可视为线振动）。设某质点的质量为m，振动规律为。当仪表壳体绕x轴以角速度ω相对惯性空间转动时，则作用在该质点上的哥氏惯性力为。音叉双臂上各质点都受到交变的哥氏惯性力的作用，使各质点产生沿z轴的振动。其振幅正比于输入角速度的大小，相位取决于输入角速度的方向。这一振动由读取电极检测，经解调后输出信号可作为输入角速度的度量。15.4.2MEMS硅双框架振动陀螺仪MEMS双框架陀螺仪结构如图所示，其工作原理是：内外框架皆可绕其挠性轴作角振动。当给驱动电极加上交变电压时，在静电吸力的作用下，外框架将绕其轴作角振动，同时带动内框架一起振动。此时，内框架便能敏感沿框架平面法线的角速度。如果沿此方向有角速度输入，那么内框架在哥氏惯性力的作用下，将绕其轴振动。这将引起其上敏感电容的变化，且电容变化量与输入角速度的大小成正比，所以通过检测敏感电容变化量的大小，便可获得输入角速度值。双框架式振动陀螺仪不同于传统意义上的旋转陀螺仪，由于其结构微小（一般只有几个mm），信号极其微弱且易受干扰，对其结构进行合理设计，有利于减小信号检测的难度。使其工作在闭环状态，有利于提高灵敏度，提高测量的线形度。若在电路中采用单片机，可以有效地减小主观因素的影响，增加信号处理的灵活度，提高测试精度。15.4.3MEMS硅梳状驱动振动陀螺仪陀螺仪的谐振器和底座上都带有梳状结构，二者交叠构成梳状电极。因为梳状驱动的驱动力与位移无关，因而驱动振幅较大，品质因数高，电子线路实现容易。梳状驱动可分为平板式结构和动音叉式结构。梳状驱动平板式陀螺仪中，带有梳状电极的长方形多晶硅平板通过挠性支臂与单晶硅底座相连，并被支悬在底座的上方。当在固定的梳状电极上施加带有直流偏置，但相位相差180°的交流电压时，将产生沿驱动轴交变的静电驱动力，从而引起平板沿驱动轴(平行于底面)作交变的线振动。当壳体绕输入轴(y轴)以角速度ω相对惯性空间转动时，将形成沿输出轴交变的哥氏惯性力，m是平板的质量。由此引起平板沿输出轴(垂直于底面)作线振动，且振幅与输入角速度成正比。该振幅可由平板与底座之间气隙电容的变化来检测。当驱动角频率取成与x轴向固有角频率相等，工作于谐振状态时，可得平板沿输出轴线振动振幅与输入角速度ω的关系15.4.4MEMS静电陀螺仪MEMS静电陀螺仪采用静电悬浮，通过力矩再平衡回路测出角速度。转子是由多晶硅制成的带有凸缘的扁平状圆盘，中间圆盘是导电层并被绝缘的硅氮化层与其他的导电层相隔离。转子由五对多晶硅电极的静电力支悬在中间位置。其中三对轴向施力的电极起轴向定位和防止自转轴相对底座倾斜的作用。沿转子周边设置的两对径向施力电极起径向定心和转子驱动的作用，转子在两对径向施力电极的作用下高速旋转产生角动量。敏感电极位于转子下方，可区分转子的轴向、径向偏移和自转轴倾斜。转子的支悬原理类似于常规静电陀螺仪。当转子沿某个方向偏移时，相应的敏感电极的电容量变化，经支承电子线路转换成控制电压，并加到相应的施力电极上，由此产生的静电支承力克服了转子的偏移，使其支悬在中间位置。MEMS静电悬浮陀螺仪原理：陀螺仪测量角速度是借助力矩再平衡电路实现的。转子上方两对轴向施力电极起再平衡回路执行元件的作用。当壳体绕转子径向某轴如x轴以角速度相对惯性空间转动时，由于陀螺仪的定轴性，自转轴将相对底座倾斜，相应的敏感电极的电容量变化，经再平衡电子线路转换为控制电压，并加到绕正交轴即y轴给出力矩的施力电极上。所产生的再平衡力矩My使自转轴绕x轴相对惯性空间进动，且进动方向与壳体转动方向相同，即自转轴始终处于壳体零位附近工作。在稳态时有如下关系，式中H是转子角动量。同理，还有另一关系。由于稳态时再平衡回路的控制电压与输入角速率成正比，因此可以测出壳体相对惯性空间的转动，而且具有测量双轴速率的功能。15.5MEMS传感器的信号调理本节将讨论与微传感器接口电路相关的一些信号调理电路，共分三部分，分别对应于三种常用的读出方式：压阻式、电容式和谐振式。15.5.1MEMS压阻式传感器的信号调理1．温度补偿材料的电阻的计算公式如下：由应力引起的电阻变化为：由于电阻率和压阻系数都和温度相关，温度降低，电阻率增加，因此，压阻式传感器必须进行温度补偿才能用。温度对单晶硅的电阻率影响尤其大，但是单晶应变片也有独特的优点，它在噪声和漂移方面表现出较好的性能。由多晶硅做成的应变片，它的电阻率增大可以通过适当选择掺杂水平降低晶粒边缘电阻率来补偿。对于温度补偿来说，常用的方法是采用惠斯通电桥方法，电桥输出为：通常，，输出电压值为零。当与被测对象相关的某一个电阻发生变化时，例如，将各个电阻值代入式，电桥的输出电压为输出电压与电阻的变化为可见，输出电压与电阻的变化近似成线性关系。当电阻变化大时，由于式中，分母中带有，因此电桥输出为非线性。为了改善非线性，可以采用电流源代替电压源。图是电流源代替电压源的一个例子。例中，采用两个电阻与被测对象相关的方案，即及，运算放大器控制加在电桥输入端的电压，电桥电流为，则电桥输出电压为比较可以看出，电路输出变为线性，而且灵敏度提高了2倍。如果采用四个电阻与被测对象相关，如图所示，两个应变片电阻随被测对象增加，另外两个应变片电阻随被测对象减小，则电桥输出电压为可见，与单臂电桥相比，灵敏度提高了4倍。2．电桥输出电压的放大电桥输出电压正比于电阻的相对变化，电阻的变化通常在0.01%～0.1%量级，所以电桥的输出电压很小，需要接放大电路。图是一种简单的差分放大电路，可用于此目的。此电路的特点是差分输入电压被放大，共模输入电压被抑制。运算放大器的同相输入端（+）与反相输入端（-）电压由于增益高，两个输入端的电压实际上被强制在相等的水平，即≈≈所以由于差分输入电压共模输入电压得当时，输出电压与共模输入电压无关，只与差分输入电压有关，可简化为可见，电压增益由决定，共模抑制的效果取决于电阻匹配的程度。但是图中的电路输入阻抗非常低，这将导致电桥输出的降低。所以给出另一种差分放大电路，常称为仪表放大器。假定没有电流流入最前端的两个放大器输入端，则通常，如果，则整个电路的输出为3．抑制噪声和失调由于MEMS压阻式传感器的电阻变化非常小，放大器所引入的噪声和失调电压很容易淹没传感器的信号，尤其是缓慢变化的失调电压很难与传感器的信号分离。采取的办法通常是：输入电压围绕一个载频fc被调制，调制后的交流信号被放大器放大后再被解调。图给出了一个例子。例中的输入电压的调制用一个开关表示，产生出一个幅度等于输入电压的方波，方波信号被放大后再通过一个乘法器解调，这样，可以将低频噪声和失调有效地滤除。15.5.2MEMS电容式传感器的信号调理对MEMS电容式传感器的信号调理，通常采用两种方法。方法一，是将电容变化转变成频率变化。例如转变成正弦振荡、张弛振荡等。此种方法的优点是频率信号易于被数字电路接纳，而且可以实现长距离的无损传输。方法二，是电容连接到电桥中，测量其变化。这种方法较简单，因此要将传感器与信号调理电路集成到同一个芯片上时，常采用此法。1．电容——频率变换电容——频率变换电路的输出是频率，输入是电容，电容变化决定频率变化。图中的电路由一个施密特触发器，一个电容和两个电流源构成。电容施密特触发器的两个电平之间充放电，振荡周期由上升和下降时间之和计算采用施密特触发器构成电容——频率变换的缺点是施密特触发器输入端对地的寄生电容会影响震荡器的频率。这个寄生电容可能会远远超过传感器电容。所以，当传感器不接地时，可以选择图所示的消除寄生电容影响的电容——频率变换电路。图中，传感器的一侧由电压源Vhigh和Vlow驱动，通过电压源驱动，有效地消除了寄生电容Cp1的影响。传感器的另一侧连接一个比较器，比较器总是在输入端处在同一个电压电平时开关，这样寄生电容Cp2两端的电压总是相等的，因此，虽然传感器和Cp2构成的电容分压器会影响比较器输入断的电压幅度，但是Cp2却不会对震荡频率有直接的影响。2．阻抗电桥将电容接入桥路与电阻接入桥路相同，区别是需要采用交流电源电压。图中给出了一种对称驱动的电容电压分配器。输入电压可以是方波，也可以是正弦波。Cp是寄生电容，R为寄生电阻，，。当忽略寄生电容和寄生电阻的影响时，输出电压为事实上，对于MEMS传感器来说，传感器的电容非常小，寄生电容和寄生电阻的影响不能忽视，只有当电阻R比传感器的电容在信号频率f下的阻抗大很多时，寄生电阻才能被忽略。对于寄生电容的影响，可以采用有源防护技术或自举技术有效地消除。电容型分压器跟随了一个由运算放大器和一个反馈电容Cf构成的电荷放大器。运算放大器将调整其输出电压到差分输入电压保持为零。寄生电容两端的电压可以视为零，因此寄生电容也被消除了。假设输入信号为方波，则的电荷将注入电路，由于电流不可能流入放大器输入端，放大器将调整输出电压使电荷传送到反馈电容Cf，这样幅度为的输入方波的输出为。15.5.3MEMS谐振式传感器的信号调理大多数谐振式传感器，在谐振点频率附近，机械谐振可以用图中的串联谐振电路和并联谐振电路的电模型描述。谐振频率ω0点附近，串联谐振电路具有阻抗Rs最小，相移为零的特点，即Cs与Ls的组合阻抗为零。而并联谐振电路具有最大阻抗，即Cp与Lp的组合阻抗为无穷大。测量谐振式传感器的谐振频率最简单的办法是将谐振式传感器构建一个电子振荡电路，振荡频率取决于传感器的特性。电子振荡电路中，振荡频率与谐振频率接近。图示为振荡器电路模型，它由放大器和谐振器两部分电路组成，传感器作为谐振器的组成部分之一。对于一个稳定的振荡来说，需要满足巴克豪森振荡准则（Barkhausencriterion），如下：方程中，是电路的开环频率响应，表示环的增益必须严格等于1，表示环的相移必须为0或360度的整数倍。振荡频率不完全等于谐振频率，因为由放大器引起的相移必须由谐振器的相移来补偿。图示为振荡器的一种可能的电路实现。决定频率的单元是一个串联谐振电路。谐振器与电阻R构成一个分压器，当R近似等于RS时，导致谐振频率的衰减因子为2，因此，放大器的增益应不小于2才能起振。　　　激励和检测谐振式传感器的振动的方法有两种，一种是将单个元件组合到激励检测结构中，构成一个单端口谐振器。方法二是采用分离元件激励和检测，构成一个双端口谐振器。图示为两种谐振器的模型。