目 录

中文摘要............................................................ 1 英文摘要............................................................ 2 1 引言............................................................. 3 2 电容式加速度传感器............................................... 6

2.1 各式加速度传感器的比较 ...................................... 6 2.2 电容式加速度传感器的分类 ................................... 10

2.3 电容式加速度传感器设计方法选择与优化 ....................... 12 2.4 电容加速度传感器结构梁的设计 ............................... 15 3 加速度计主要失效模式和失效机理.................................. 20

3.1 表面粘附 ................................................... 20 3.2 结构断裂 ................................................... 21

3.3 分层失效 ................................................... 21 3.4 辐射失效 ................................................... 22 4 硅-玻璃键合加速度传感器的工艺过程............................... 23 4.1 工艺相关 ................................................... 23

4.2 工艺过程 ................................................... 24 5 计算机设计与仿真................................................ 28 5.1 MEMES-PRO软件环境.......................................... 28 5.2 加速度传感器相关部件、电路及波形 ........................... 28 结论............................................................... 31 谢辞............................................................... 32 参考文献........................................................... 33

基于MEMMS电容式加速度传感器的设计

摘要：加速度传感器的设计与研究在国内外已经持续了很多年。在这段研究中，

各式各样的加速度计在不断出现。本文从MEMS的发展入笔，罗列传感器重要特性，比较硅微电容式加速度传感器、硅微压阻式加速度传感器、硅微热电偶式等各种传感器，介绍相关原理和一些用途。选取电容式加速度传感器作为方向，阐述相关设计原则和注意事项。针对微机械电容式加速度计主要有三种结构，即三明治摆式加速度计结构、跷跷板摆式加速度计和梳齿式微加速度计结构，对其原理作比较详尽的介绍，对工艺实现难易作出比较。论述加速度传感器的相关优化方案的选取，粱结构的优化选择和体硅加工等系列方案选取。进而说明加速度计的主要失效模式和实效机理。最后选取一种加速度计，介绍其涉及到的MEMS工艺和工艺步骤。介绍MEMS软件的相关应用。

关键词：MEMS，加速度传感器，电容式

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Abstract: Accelerometer Design and Research has been going on at home and

abroad for many years. During this study, a wide range of emerging in the accelerometer. In this paper, the development of MEMS as a starting point, list the important characteristics of the sensor, compare among micro-silicon capacitive accelerometer, micro-silicon piezoresistive accelerometer, micro-silicon thermocouple accelerometer and other types, introduce the relevant principles and some uses. Select capacitive accelerometer as the main point, expound the related design principles and attention. cantilever beam micromachined silicon accelerometer, pendulous micromachined silicon accelerometer and finger-shaped micromachined silicon accelerometer, as the main structures in micro-silicon capacitive accelerometers, we have a detailed introduction about the principle and comparison about the processes. Expound the optimization of sensor, beam structure, bulk processing and other related respects. Then explain the main failure mode and effectiveness of the mechanism of the acceleration. Finally, select an accelerometer to introduce MEMS technology involved and the process steps. Introduce the applications of MEMS software.

Keywords: MEMS, acceleration sensor, capacitive

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1 引言

MEMS技术发展的始点是集成电路（IC）技术。Intel公司1971年推出的Intel 4004处理器芯片只集成了2250个晶体管，1982年问世的Intel 286集成了120000个晶体管，而1999年推出的Pentium Ⅲ处理器集成的晶体管数目则达到了24000000。集成电路技术惊人的发展速度，是其它领域不能匹敌的。每隔12到18个月，芯片上晶体管的集成密度就会翻倍，这个增长规律被称为摩尔定律（Moore Law）。这么多年以来，集成电路产业按照摩尔定律一直发展到今天，推动着信息社会的迅速发展。

电子器件小型化和多功能集成是微加工技术的推动力。如果没有微加工和小型化技术的迅猛发展，许多今天看来理所当然的科学和工程成就就都不能实现。这些应用包括成指数级增长的计算机和互联网的应用、蜂窝电话、数码照相（摄像、存储、传输和显示）、平板显示、等离子电视、节能汽车、人类基因组测序（大约包括有30亿个碱基对）、快速的DNA序列识别、新材料和药物的发现以及电子战等。

MEMS是由集成电路技术发展而来，经过大约20年的萌芽阶段，开展了一些有关MEMS的零散研究，使得体硅加工技术和表面加工技术迅速成熟起来。到了20世纪90年代，全世界的MEMS研究进入了一个突飞猛进、日新月异的发展阶段。一批研究成果有了实际应用。其中最典型的是美国Analog Devices（模拟器件）公司生产的用于汽车安全气囊系统的集成惯性传感器和美国Texas Instruments（德州仪器）公司生产的用于投影显示的数字光处理芯片。

与传统宏观的机电系统相比，MEMS技术有与其区别的自身本质特征： （1）小型化。典型的MEMS器件的长度尺寸大约在1?m~1cm之间，当然，MEMS器件阵列或整个MEMS系统的尺寸会更大些。小尺寸能够实现柔性支撑、带来高谐振频率、低热惯性等很多优点。小型化可能带来一些问题，比如有些在宏观尺度下非常显著的物理效应，当器件尺寸变小以后，性能可能变得很差。还有就是，有些对于宏观器件可忽略的物理效应，在微观尺度范围内会突然变得突出，即比例尺度定律。

（2）微电子集成。MEMS最独特的特点之一就是可以将机械传感器和执行器与处理电路和控制电路同时集成在同一块芯片上。这种单片集成技术应用整片衬底的加工流程，将不同部件集成在单片衬底上，不包含机械拾取或人工装配等混

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