加速度傳感器給手機(jī)、游戲機(jī)等設(shè)備帶來(lái)更人性化和直覺(jué)性的操控體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了前所未有的創(chuàng)新功能，其作為微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical SySTems, MEMS）領(lǐng)域的代表性技術(shù)之一，使MEMS近年來(lái)在消費(fèi)市場(chǎng)引起人們的極大關(guān)注和興趣。

　　MEMS的起源與發(fā)展

　　MEMS結(jié)合了微電子技術(shù)與機(jī)械工程技術(shù)，其將毫米（mm）至微米(μm）尺度內(nèi)的機(jī)械零件、傳感器、致動(dòng)器與電子單元等整合在硅基板之上。MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，基本上任何需要機(jī)械組件的小型化電子系統(tǒng)都可能使用到MEMS，例如慣性感測(cè)器、開(kāi)關(guān)和繼電器、諧振器和機(jī)械濾波器、微型電容器、電感和探頭以及傾斜計(jì)、電子管、DNA序列分析儀、化學(xué)和生物藥劑感測(cè)器等；涵蓋了信息、通訊、消費(fèi)性、汽車、生醫(yī)、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。

　　最早的微機(jī)電設(shè)計(jì)可以追溯到1970年初期，最早期的研究包括石英晶體諧振器（Quartz Resonator）和壓力感測(cè)器等，然后出現(xiàn)了對(duì)打印機(jī)的噴墨頭（Ink Jet）及氣相層析儀（gas chromatography）等技術(shù)的研究。1975年后，加速度傳感器、數(shù)碼光投影機(jī)、微流體（Micro-Fluidics）技術(shù)、MEMS振蕩器、MEMS開(kāi)關(guān)（Switch）等的研究也開(kāi)始進(jìn)行。1985年左右開(kāi)始出現(xiàn)MEMS邁克風(fēng)。薄膜體聲波諧振器（Film Bulk Acoustic Resonator，F(xiàn)BAR）和陀螺儀（Gyroscope）等則是90年代以后才開(kāi)始涌現(xiàn)的新領(lǐng)域。

　　MEMS制程技術(shù)

　　采用半導(dǎo)體技術(shù)來(lái)制造MEMS元件是MEMS技術(shù)走向產(chǎn)品化的標(biāo)志。MEMS元件一般采用與芯片制程相同的CMOS、Bipolar或BiCMOS制造技術(shù)。為充分利用全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)成熟的制造技術(shù)的商業(yè)渠道等資源，業(yè)界仍致力于將標(biāo)準(zhǔn)化的半導(dǎo)體制造技術(shù)用于MEMS元件的加工制造。采用CMOS制程的MEMS制造工藝能夠使其隨批次生產(chǎn)、光罩制程的微型化先進(jìn)制程演進(jìn)，讓產(chǎn)品尺寸變得更小，并提高量產(chǎn)的良品率，從規(guī)模經(jīng)濟(jì)中受益。

　　由于采用了半導(dǎo)體制造技術(shù)，MEMS元器件也和芯片一樣，采用硅作為主要原材料。硅元素具有十分優(yōu)秀的物理和電特性，其不易折斷，使用周期可以達(dá)到上百萬(wàn)次。單晶硅運(yùn)動(dòng)特性非常可靠，其遵守胡克定律，又幾乎沒(méi)有彈性滯后現(xiàn)象，因此耗能幾乎為零。

　　硅晶圓雖然具有優(yōu)異的特性和量產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，但它仍是相當(dāng)復(fù)雜和相對(duì)較昂貴的材料，因此其他材料也成為業(yè)界的選擇對(duì)象。塑料聚合體（Polymer）提供了多樣化的材料特性，并可實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)；此外，金屬及陶瓷材料具有極佳的可靠性，也是可行的MEMS制造材料。

　　MEMS技術(shù)的選用要依據(jù)不同的應(yīng)用或市場(chǎng)合理選用。其主要技術(shù)包括表面微加工技術(shù)（SuRFace Micro-Machining）、體型微加工技術(shù)( Bulk Micro-Machining)，與LIGA技術(shù)等；另外還有一些常應(yīng)用或整合在一起的技術(shù)，如電鑄、芯片黏合以及特別的保護(hù)與封裝技術(shù)等。

　　1. 體型微加工

　　體型微加工技術(shù)針對(duì)硅基材直接進(jìn)行干式或濕式蝕刻，以形成所需的微結(jié)構(gòu)，讓硅晶圓具備機(jī)械性能。一般的作法是使用氫氧化鉀等堿性溶液來(lái)腐蝕平板印刷后留下來(lái)的硅，由于硅材料具有晶向性，沿特定晶體方向的腐蝕速度比其它方向的要高1000倍。

　　體型微加工是最早開(kāi)始采用的硅晶式MEMS組件制造技術(shù)，其在80及90年代成為主流的MEMS組件制造技術(shù)。由于體型微加工利用硅基材的晶格特性做為微結(jié)構(gòu)，將硅晶圓的所有厚度都用來(lái)構(gòu)建微機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此能獲得較強(qiáng)壯與堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，相比之下表面微加工技術(shù)的產(chǎn)品則比較脆弱。體型微加工的缺點(diǎn)是加工上局限和成本。單晶硅材料的制造成本也較貴，該技術(shù)也很難做出多變與復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

　　2. 表面型微加工

　　表面型微加工制程包括幾個(gè)主要的步驟：首先在硅晶上沉積犧牲層（Sacrificial Layer），通過(guò)光刻（Lithography）技術(shù)將設(shè)計(jì)好的保留區(qū)域圖形完整且精確地復(fù)制到晶圓上，再利用蝕刻將不要的部分去除；接著沉積結(jié)構(gòu)層（Structure Layer），再蝕刻掉不要的部分；最后再將犧牲層全部蝕刻移除，即可制成可活動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

　　表面微加工技術(shù)克服了體型微加工成本較高和很難做出復(fù)雜結(jié)構(gòu)等缺點(diǎn)，成為目前MEMS生產(chǎn)的主流技術(shù)。其主要通過(guò)深度刻蝕及犧牲層等工藝，讓微小的裝置中也能制造出精密機(jī)械性結(jié)構(gòu)。表面型微加工法已獲得業(yè)界的肯定，但其控制技術(shù)仍然有相當(dāng)?shù)拈T檻。其最主要的技術(shù)問(wèn)題在于如何克服薄膜制程的張應(yīng)力特性，控制結(jié)構(gòu)的平整性；此外，技術(shù)的可靠性也是關(guān)鍵，這將影響此技術(shù)能否做出商品化的產(chǎn)品。

　　TEHLMA是ST先進(jìn)的表面微加工制程，全稱是厚壘晶層（Thick Epitaxial Layerfor Micro Gyroscopes and Accelerometer）技術(shù)，專門用來(lái)生產(chǎn)高靈敏度和較廣探測(cè)范圍的加速度傳感器、陀螺儀和機(jī)電濾波器 / 諧振器等組件。THELMA的流程主要包括六個(gè)主要步驟：基底熱氧化、水平互連的沉積與表面圖樣化（Patterning）、犧牲層（Sacrificial-Layer）的沉積與表面圖樣化、結(jié)構(gòu)層的壘晶生長(zhǎng)、用通道蝕刻將結(jié)構(gòu)層圖樣化、以及犧牲層的氧化物去除與接觸金屬化沉積。

　　3. LIGA

　　LIGA來(lái)自光刻（Lithographie）、電鑄（Gaivanoformung）和模造（Abformung）三種技術(shù)德語(yǔ)單詞，是由德國(guó)發(fā)展出的微加工技術(shù)，在80年代被用來(lái)制造厚縮鈾所需的擴(kuò)散噴嘴。

　　LIGA技術(shù)利用X光曝光與金屬微電鑄翻磨技術(shù)制出高深寬比結(jié)構(gòu)，其特色在于能用來(lái)制造硅基制程無(wú)法制造的金屬件，或作為塑料、陶瓷組件等的成形模具。 不過(guò)，由于需要X光做為加工的曝光源，因此成本相當(dāng)高昂。

　 傳感器的功能定位

　　MEMS組件的功能為換能器（Transducer），包括傳感器（Sensor）和致動(dòng)器（Actuator）兩類，其與負(fù)責(zé)運(yùn)算控制的CPU或MCU密切相關(guān)。傳感器用于接受外界的刺激；致動(dòng)器則接受來(lái)自控制器的指令并做出要求的動(dòng)作反應(yīng)。其工作過(guò)程類似人體通過(guò)五官接受外界的信息，經(jīng)過(guò)大腦的思維和指令，做出相應(yīng)的動(dòng)作。在MEMS系統(tǒng)中，MCU等處理核心就如同人的大腦，而MEMS傳感器和致動(dòng)器分別相當(dāng)于用來(lái)感測(cè)外界刺激得眼睛、皮膚等器官，和肌肉、關(guān)節(jié)等做出反應(yīng)的肢體。

　　1. 致動(dòng)器

　　MEMS致動(dòng)器與傳統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)不同，其用來(lái)將電能、熱能、化學(xué)能或光能量等轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。致動(dòng)器的使用通常都會(huì)與其它物理現(xiàn)象，如電信號(hào)、光敏信號(hào)、微流體等相結(jié)合。

　　一般致動(dòng)器常用的致動(dòng)方法有：靜電吸附、熱變形、壓電變形、壓力等等，也有其它特別的物理機(jī)制方式，如氣泡、摩擦力等；運(yùn)動(dòng)方式也可分為線性運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、震蕩等。與致動(dòng)器技術(shù)有關(guān)的常見(jiàn)應(yīng)用產(chǎn)品包括微流致動(dòng)、RF MEMS組件、投影顯示芯片、光開(kāi)關(guān)、微小讀寫以及致動(dòng)感應(yīng)組件等。

　　2. 感測(cè)器

　　傳感器的作用是測(cè)量出所在環(huán)境中特定現(xiàn)象的變化，包括機(jī)械性（加速度、壓力、振幅等）、熱（溫度、比熱、熵等）、幅射（X光、可見(jiàn)光、微波等）或磁性、化學(xué)、生物、狀態(tài)等變化。對(duì)于這些物理量、化學(xué)量或生物量的輸入變化，傳感器必須能進(jìn)行精確且穩(wěn)定的測(cè)量，再將結(jié)果輸出到控制器。輸出量可以是氣、光、電量等，但最主要的輸出方式為電量信號(hào)，因?yàn)殡娦盘?hào)最容易進(jìn)行放大、反饋、濾波、微分、存貯和遠(yuǎn)距離操作，更便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示。

　　MEMS傳感器工作方式很多，包括電阻式、電感式、電容式、阻抗式、磁電式、熱電式、壓電式、光電式、諧振式、霍爾式（磁式）、電化學(xué)式等。

表一　MEMS傳感器的測(cè)量類型

　　加速度傳感器的技術(shù)原理

　　常見(jiàn)的加速度傳感器技術(shù)包括壓阻式（PiezoresiSTive）、電容式（Capacitive）、壓電式（Piezoelectric）及熱對(duì)流式（Thermal）。除了熱對(duì)流式加速度傳感器外，其它三種方案都是利用硅的機(jī)械性質(zhì)所設(shè)計(jì)出的可移動(dòng)結(jié)構(gòu)，來(lái)感測(cè)不同方向的加速度或振動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀況。壓阻式、電容式及壓電式加速度計(jì)的內(nèi)部都具有質(zhì)塊（Mass）、彈簧（Spring）、阻尼器（Damper）三大基本機(jī)械性結(jié)構(gòu)。按照虎克定律（F = kx）、牛頓第二定律（F = ma）等，只需獲得位移，就能進(jìn)一步求出加速度；此外，應(yīng)用此原理可延伸設(shè)計(jì)出單軸、雙軸和三軸加速度計(jì)。除了機(jī)械性單元外，加速度計(jì)內(nèi)部也需包含用來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大或轉(zhuǎn)換的電子電路部分。

　　目前壓阻式、電容式與熱對(duì)流式是市場(chǎng)上產(chǎn)品化的加速度傳感器采用的主要技術(shù)。三者各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但電容式的各項(xiàng)功能皆有中等或極佳的表現(xiàn)，因此發(fā)展的潛力極大。

表二　不同加速度傳感器技術(shù)的特性比較

　　1. 壓阻式加速度傳感器

　　壓阻式加速度傳感器的原理為壓阻效應(yīng)（Piezoresistive Effect），即半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，因此傳感器可通過(guò)此原理來(lái)感測(cè)位移的變化。壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形小巧，性能優(yōu)越，尤其可測(cè)量低頻加速度。

　　壓阻式加速度傳感器采用N型硅單晶作為懸壁梁，在其根部有兩個(gè)P型電阻接成電橋。當(dāng)懸臂梁自由端的質(zhì)量塊受加速度作用時(shí)，懸臂梁受彎矩作用產(chǎn)生方向?yàn)榱旱拈L(zhǎng)度方向的應(yīng)力，從而使四個(gè)電阻中兩個(gè)電阻的應(yīng)力方向與電流一致，另兩個(gè)電阻的應(yīng)力方向與電流垂直。

　　壓阻式加速度傳感器產(chǎn)生誤差的主要原因是溫度。由于傳感器中擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)較大，電阻值隨溫度變化而變化，引起傳感器的零位漂移和靈敏度漂移。零位溫度的漂移一般可用串聯(lián)電阻的方法進(jìn)行補(bǔ)償；靈敏度則隨溫度變化：當(dāng)溫度升高時(shí)，壓阻系數(shù)減小，感測(cè)器的靈敏度也隨之減��；反之則靈敏度隨溫度減小而增大。

　　2. 電容式加速度傳感器

　　電容式加速度傳感器可將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化。其結(jié)構(gòu)中分別由一個(gè)可移動(dòng)的質(zhì)塊與一個(gè)相對(duì)的固定端作為電容的兩極。當(dāng)外界加速度使可移動(dòng)極與固定極發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，兩極間的電容量也會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)特殊電路即可將此變化量轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

　　隨著MEMS和半導(dǎo)體制程的不斷進(jìn)步，原先的一些使用限制得到大幅改善，也讓電容式結(jié)構(gòu)成為今日市場(chǎng)上極受歡迎的一種加速度傳感器設(shè)計(jì)方案。電容式加速度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨能力高、可非接觸測(cè)量，除了可以實(shí)現(xiàn)微型化需求外，能在高溫、高壓、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中工作，也能耐受極大沖擊，適用范圍極廣。

　　動(dòng)態(tài)反應(yīng)時(shí)間短是電容式加速度傳感器的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，它能在幾兆赫茲的頻率下工作，因此特別適合于動(dòng)態(tài)測(cè)量。此外又由于其介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高，可以用于測(cè)量高速變化的參數(shù)。

　　壓阻式或熱對(duì)流式傳感器易因外界溫度變化而產(chǎn)生零位漂移，而電容式結(jié)構(gòu)則可避免這種問(wèn)題。電容式加速度傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，因此可選擇溫度系數(shù)低的材料；另外傳感器本身發(fā)熱量極小，因此溫度對(duì)穩(wěn)定性的影響十分微小。

　　除了上述優(yōu)點(diǎn)外，電容式加速度傳感器還可測(cè)極低的加速度和位移（0.01μm以下），靈敏度及分辨力可以做到很高。

　　3. 熱對(duì)流式加速度傳感器

　　熱對(duì)流式加速度傳感器的工作原理是由加速度引起的內(nèi)部溫度變化來(lái)測(cè)量加速度。其優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)有其它機(jī)械方式可能出現(xiàn)的粘連、顆粒等問(wèn)題，同時(shí)能抗受50,000g以上的巨大沖擊；此外還有低成本方面的優(yōu)勢(shì)。

　　熱對(duì)流式加速度傳感器的芯片內(nèi)部會(huì)有一個(gè)空腔及其內(nèi)部自然形成一個(gè)懸浮的熱氣團(tuán)質(zhì)塊。在空腔底部的中央放置一個(gè)熱源，并在熱源的四個(gè)方向上等距離且對(duì)稱的放置由鋁和多晶硅組成的熱電耦。由于自由對(duì)流熱場(chǎng)的傳遞性，任何方向的加速度都會(huì)擾亂熱場(chǎng)的輪廓，從而導(dǎo)致四個(gè)熱電耦組的輸出電壓出現(xiàn)差異，而熱電耦組輸出電壓的差異是直接與所感應(yīng)的加速度成比例的值。

　　熱對(duì)流式的設(shè)計(jì)也有其自身的缺點(diǎn)。相對(duì)于電容式方案，它的功耗較大；目前熱對(duì)流式加速度傳感器也只能做到二軸的方向性。熱對(duì)流式方案的工作原理決定了它必然對(duì)環(huán)境溫度變化比較敏感，容易產(chǎn)生零點(diǎn)溫漂和靈敏度溫度漂移；而且頻率反應(yīng)也不能太快，一般小于35Hz。

　　4. 壓電式加速度傳感器

　　壓電式加速度傳感器基于壓電陶瓷等非晶方性（Anisotropic）結(jié)構(gòu)材料對(duì)高頻微小機(jī)械振動(dòng)的優(yōu)良響應(yīng)特性，其結(jié)構(gòu)及工作原理與壓阻式及電容式方案相似，且具有不受溫度變化影響、防水性佳、電磁干擾保護(hù)和絕緣處理性強(qiáng)等技術(shù)特性。

　　壓電陶瓷等材料在收到沿一定方向機(jī)械力作用而發(fā)生形變時(shí)會(huì)產(chǎn)生出帶電的極化效應(yīng)；機(jī)械力撤掉后又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)。因此壓電式方案可以對(duì)很寬頻率和很高輻值的振動(dòng)訊號(hào)獲得很準(zhǔn)確的量測(cè)，并且具有很好的環(huán)境抗力。

　　壓電式加速度傳感器的基本構(gòu)造包括三個(gè)部份：質(zhì)塊、壓電材料及基座。當(dāng)加速度計(jì)受力運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性質(zhì)塊與基座會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使壓電材料受力產(chǎn)生應(yīng)變，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，其中產(chǎn)生的電量與外力成正比。

　　結(jié)論

　　經(jīng)過(guò)了三四十年的發(fā)展，MEMS已從工業(yè)的科研應(yīng)用中走進(jìn)大眾市場(chǎng)，并在扮演越來(lái)越重要的角色。其與芯片技術(shù)的整合將會(huì)更密切，最終可望實(shí)現(xiàn)具傳感功能的SoC芯片。

　　目前MEMS技術(shù)為毫米至微米級(jí)，納米級(jí)是其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。此外，目前MEMS元件的成本仍然較高，是阻礙其發(fā)展的因素之一，因此還需要廠家開(kāi)發(fā)出更具經(jīng)濟(jì)效益的制程技術(shù)。

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