技术及传感器

14.2　微电子机械系统（MEMS）技术及MEMS传感器

14.2.1　概述

微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）技术简称MEMS技术，是指可批量制作的，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，包括接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，具有小型化、集成化的特点。80年代末，微机械压力传感器等技术的成熟并市场化，IC工艺制作的静电微电机的研制成功，标志着微电子机械技术已经发展成了一门独立的新兴学科。

这种将机械系统与传感器电路制作于同一芯片上构成一体化的微电子机械系统的技术，称为微电子机械加工技术。其中的关键在于微机械加工技术，它是利用硅片的刻蚀速度各向异性的性质，和刻蚀速度与所含杂质有关的性质，以及光刻扩散等微电子技术，在硅片上形成穴、沟、锥形、半球形等各种形状，从而构成膜片、悬臂梁、桥、质量块等机械元件。将这些元件组合，就可构成微机械系统。利用该技术，还可以将阀、弹簧、振子、喷嘴、调节器，以及检测力、压力、加速度和化学浓度的传感器，全部制作在硅片上，形成微电子机械系统。

利用MEMS加工技术制备的传感器称为MEMS传感器（或微型传感器）。同传统的传感器相比，MEMS传感器具有以下突出的优点:

（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，成本低廉。

14.2.2　典型的MEMS传感器

1.微机械加速度传感器

微型惯性器件是一类典型的MEMS传感器，而且在国防领域具有重要的军事价值。它主要包括微型硅陀螺和微型硅加速度计。微型硅加速度传感器采用硅单晶材料，用微机械加工工艺实现。它具有结构简单、体积小、功耗低、适合大批量生产、价格低廉等特点，因而，在卫星上微重力的测量、微型惯性测量组合、简单的制导系统、汽车安全系统、倾角测量、冲撞力测量等领域有广泛的应用前景。

（1）力平衡式硅微加速度传感器

图14-8　力平衡式硅微加速度传感器示意图

力平衡式硅微加速度传感器的工作原理如图14-8所示，将悬臂梁支撑的惯性质量块作为可动极板，并与其上下各一个固定极板，构成两个电容。可动极板的位置可通过测量这两个电容的差来确定。将脉冲宽度调制器产生的两个脉冲宽度调制信号U_E与U′_E加到可动电极和两个固定电极上，通过改变脉冲宽度调制信号的脉冲宽度，就可以控制作用在可动极板上的静电力。利用脉冲宽度调制器和电容测量相结合就能在测量的加速度范围内，使可动极板精确地保持在中间位置。采用这种脉冲宽度调制静电伺服技术，脉冲宽度与被测加速度成正比，实现通过脉冲宽度来测量加速度。由于采用了脉冲宽度调制伺服技术，可动电极与固定电极间的间隙可做得很小，使传感器具有很高的灵敏度和耐用性，因而这种加速度传感器的特点是能够测量低频微弱加速度，测量范围为0～1g，分辨力可达μg，频率响应范围为0～100Hz，在整个测量范围内非线性误差小于±0.1%F.S，横向灵敏度小于±0.5%F.S，当V_E的脉冲电压峰值为5V时，灵敏度为1040mV。这种传感器有很高的精度、极好的线性和稳定性。

（2）硅微谐振式加速度传感器

谐振式传感器的独特优点在于，它的准数字量输出可直接用于复杂的数字电路而避免了其他类型传感器在信号传递方面的诸多不便。谐振式传感器的敏感元件是谐振子，其固有谐振特性决定了该类型传感器具有很高的灵敏度和分辨率。谐振式传感器的制造难点在于:①硅谐振子的材料质量和制作质量一定要得到保证。②要有足够高精度的数字信号处理电路来监测输出频率信号的微弱变化。随着硅材料工艺、微机械加工工艺和集成电路的飞速发展，这些问题变得容易解决，这也使得谐振式传感器成为低成本、高性能传感器的突出代表。图14-9所示为此类传感器的三种结构。

出于高灵敏度的考虑，加工的传感器结构往往设计为单边支撑的悬臂梁结构，如图14-9（a）。但这种结构的缺点很明显，它固有频率低，频响范围窄，且存在很大的横向灵敏度。所以在方向性要求较高的情况下，需要选择对称的梁块结构。基于已有的压阻式微加速度传感器的研制，在支撑框架与质量块之间同时制作支撑梁和谐振梁，这样的设计既可以借用已有的成熟工艺，又为传感器-检测电路系统的进一步集成提供了工艺兼容的便利条件。利用同样的思想就可以在其他的梁块结构的合适位置上制作出谐振梁。例如，在四角固支结构的四边同时制作了四条谐振梁，见图14 9（b）。而且，这四条谐振梁也可以同时用作支撑作用而省去原来的支撑梁，从而增加了检测的灵敏度，见图14-9（c）。

图14-9　硅微谐振式传感器结构示意图

2.微机械角速度传感器

对于旋转角速度和旋转角度的检测，需要采用陀螺仪。基于MEMS技术的微机械陀螺因其成本低，能批量生产，可广泛应用于汽车牵引控制系统、医用设备、军事设备等方面。微机械陀螺有双平衡环结构、悬臂梁结构、音叉结构等，其工作原理基于哥氏效应。谐振式微机械陀螺的结构如图14-10所示:它由固定在基底上的静止驱动器、质量块（包括内部动齿框架及外部框架）和2个双端音叉谐振器（DETF）组成。质量块通过4个支承梁固定在基底上。当在静止驱动器上加上驱动电压（角频率为ω_p）时，质量块的内部动齿框架作沿着y轴方向的振荡运动。如果一个外部的绕z轴的转动（输入信号Ω）作用到芯片上，质量块产生沿x轴方向的哥氏力，且通过内支承梁转移到外框架上，外框架由两对支承梁固定并可沿x轴方向运动，通过两对杠杆这个力被放大并传递到外框架两边的两个双端音叉谐振器（DETF）上。DETF上输出信号频率的变化就反映了输入角速率的变化。微机械陀螺的平面外轮廓的结构参数为1mm²，厚度仅为2μm。

图14-10　谐振式微机械陀螺结构

3.微型压力传感器

硅谐振式微型压力传感器如图14-11所示，其核心部分由4mm×4mm的感压硅膜片和在其上面“一中一边”制作的2个H型两端固支的谐振梁（1200μm×20μm×5μm）构成，见图14-11（a）。两谐振梁被封闭在真空腔内，既不与被测介质接触，又确保振动时不受空气阻尼的影响。硅膜片与硅基底间采用Si-Si键合连接，再通过Au-Si共熔使硅基底与通压部分的Ni-Fe合金固连，见图14-11（b）。

硅梁振动信号的激励与拾取采用电磁方式，如图14-12所示，永磁铁的磁场和通过激励线圈A的交变电源共同激发硅梁在基频上振动，并由拾振线圈B感应，送入自动增益控制放大器（AGC），一方面输出频率，另一方面将交流电流信号反馈给激振线圈A，从而形成正反馈闭环自激系统，以维持谐振梁的连续等幅振动。

图14-11　硅谐振式微型压力传感器原理结构

当被测压力p输入膜片空腔时，膜片产生变形。由图14-11和图2-29可知，膜片中心处受拉力，边缘处受压力，使两个谐振梁分别感应不同的应力作用，致使中心处谐振梁的振频增加，边缘处谐振梁的振频下降。谐振频率的变化受到被测压力调制，两梁谐振频率差即对应不同的压力值，其最高测量精度可达0.01%F.S。

利用频率差的方法测量压力，可消除环境温度等干扰因素造成的误差。如在相同条件下，当环境温度变化时，两个谐振梁的频率与幅值的变化是相同的，因此计算频率差时该变化量可以抵消。

图14-12　谐振传感器闭环系统原理图

图14-13　微型电场传感器结构图

4.微型电场传感器

电场传感器是基于导体在电场中产生感应电荷的原理。图14-13提供了一种基于MEMS技术设计的微型电场传感器的结构图。传感器由振动和感应两大部分组成。振动部分的核心是振动膜，由氮化硅（Si₃N₄）薄膜制备，可以在图示的垂直方向上振动。感应电极、屏蔽电极和激振电极对由分别生长在振动膜和感应部分上的金属电极构成。屏蔽电极接地，其上有孔形阵列。传感器工作时，激振电极对连接交流电压源，通过两个电极间的库仑力作用引起振动膜垂直振动。调节交流电压频率，使振动膜在谐振点附近达到预定的振幅。此时感应电极接受经过屏蔽电极周期性屏蔽的电场，产生感应电流，经前置放大后接外部检测电路。微电场传感器弥补了一般电场传感器体积大、能耗高的缺点，可以应用于各种环境下静电场及低频电场的测量，有着广阔的应用前景。