單片集成的彎曲懸臂梁式三軸熱對(duì)流加速度傳感器研究

三軸加速度傳感器是汽車電子和消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場(chǎng)發(fā)展的一個(gè)重要方向，有著巨大的市場(chǎng)份額，如游戲和娛樂系列消費(fèi)類電子產(chǎn)品中都應(yīng)用了加速度傳感器作為動(dòng)作操控和接收裝置。三軸加速度傳感器也應(yīng)用于汽車安全和導(dǎo)航系統(tǒng)中，對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位，配合陀螺儀或電子羅盤等元件一起可創(chuàng)建方位推算系統(tǒng)，與GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)性應(yīng)用。此外，三軸加速度傳感器還廣泛應(yīng)用于微型衛(wèi)星、工業(yè)自動(dòng)控制、機(jī)器人系統(tǒng)、軍工產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域。本項(xiàng)目為了解決熱對(duì)流加速度傳感器在三維空間測(cè)試的難題，突破了二維平面集成的限制，提出了將檢測(cè)垂直方向加速度的敏感單元布置在受應(yīng)力彎曲的復(fù)合薄膜懸臂梁上，開展了單片集成的應(yīng)力彎曲懸臂梁式三軸熱對(duì)流加速度傳感器設(shè)計(jì)理論與CMOS兼容制造中所涉及的基礎(chǔ)問題研究，在理論和實(shí)驗(yàn)方面著重研究了多層復(fù)合半導(dǎo)體薄膜懸臂梁多物理場(chǎng)（溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)）作用下的形變機(jī)制；構(gòu)建了密封腔內(nèi)多場(chǎng)下復(fù)合薄膜懸臂梁微機(jī)械加工釋放后形變的力學(xué)模型。此外提出了控制應(yīng)力和優(yōu)化工藝的方案，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了兩層硅片結(jié)構(gòu)單片集成的傳感器芯片。研究了三軸微機(jī)械結(jié)構(gòu)制造工藝與CMOS工藝的兼容性，獲得了CMOS-MEMS 工藝制造三軸微機(jī)械結(jié)構(gòu)的方法。進(jìn)一步研究了制造過程中的復(fù)雜材料系統(tǒng)相互作用機(jī)制，并建立和驗(yàn)證提出的芯片制造工藝模型，評(píng)價(jià)了工藝流程的實(shí)用性，形成了原創(chuàng)的應(yīng)力彎曲懸臂梁式單片集成的三軸熱對(duì)流加速度傳感器設(shè)計(jì)與制造的核心技術(shù)。此技術(shù)與CMOS工藝相兼容，可以將信號(hào)調(diào)節(jié)電路，微處理器等集成在一起，而且可以將其他測(cè)試功能用同樣的工藝集成在一起，使得芯片多功能化，更符合目前測(cè)試系統(tǒng)集成化，小型化和低成本化的發(fā)展要求。所研發(fā)的三軸加速度傳感器X軸和y軸加速度計(jì)的靈敏度基本上很接近，有著很好的線性度。X軸和y軸方向上的加速度靈敏度擬合后分別為0.62 μV/g/mW 和0.61μV/g/mW。在X軸和y軸方向上有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，響應(yīng)范圍在200 Hz以上。Z軸的靈敏度為0.16μV/g/mW，低于x軸和y軸方向。研究成果對(duì)于單片集成的熱對(duì)流加速度傳感器技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展有重要意義。 2100433B

為解決熱對(duì)流加速度傳感器在三維空間測(cè)試的難題，突破二維平面集成的限制，提出將檢測(cè)垂直方向加速度的敏感單元布置在受應(yīng)力彎曲的復(fù)合薄膜懸臂梁上，開展單片集成的應(yīng)力彎曲懸臂梁式三軸熱對(duì)流加速度傳感器設(shè)計(jì)理論與CMOS兼容制造中所涉及的基礎(chǔ)問題研究，在理論和實(shí)驗(yàn)方面著重研究多層復(fù)合薄膜懸臂梁在多物理場(chǎng)作用下形變機(jī)制，構(gòu)建密封腔內(nèi)多場(chǎng)下復(fù)合薄膜懸臂梁微機(jī)械加工釋放后形變的力學(xué)模型，提出控制應(yīng)力和優(yōu)化工藝的方案，創(chuàng)新設(shè)計(jì)兩層硅片結(jié)構(gòu)單片集成的傳感器芯片。研究三軸微機(jī)械結(jié)構(gòu)制造工藝與CMOS工藝的兼容性，獲得CMOS-MEMS工藝制造三軸微機(jī)械結(jié)構(gòu)的方法。進(jìn)一步研究制造過程中的復(fù)雜材料系統(tǒng)相互作用機(jī)制，并建立和驗(yàn)證提出的芯片制造工藝模型，評(píng)價(jià)工藝流程的實(shí)用性，形成原創(chuàng)的應(yīng)力彎曲懸臂梁式單片集成的三軸熱對(duì)流加速度傳感器設(shè)計(jì)與制造的核心技術(shù)，研究成果對(duì)于單片集成的熱對(duì)流加速度傳感器技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展有重要意義。

目前的三軸加速度傳感器大多采用壓阻式、壓電式和電容式工作原理，產(chǎn)生的加速度正比于電阻、電壓和電容的變化，通過相應(yīng)的放大和濾波電路進(jìn)行采集。這個(gè)和普通的加速度傳感器是基于同樣的原理，所以在一定的技術(shù)上三個(gè)單軸就可以變成一個(gè)三軸。對(duì)于多數(shù)的傳感器應(yīng)用來看，兩軸的加速度傳感器已經(jīng)能滿足多數(shù)應(yīng)用。但是有些方面的應(yīng)用還是集中在三軸加速度傳感器中例如在數(shù)采設(shè)備，貴重資產(chǎn)監(jiān)測(cè)，碰撞監(jiān)測(cè)，測(cè)量建筑物振動(dòng),風(fēng)機(jī),風(fēng)力渦輪機(jī)和其他敏感的大型結(jié)構(gòu)振動(dòng)。

在加速度傳感器中有一種是三軸加速度傳感器，同樣的它是基于加速度的基本原理去實(shí)現(xiàn)工作的，加速度是個(gè)空間矢量，一方面，要準(zhǔn)確了解物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須測(cè)得其三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量；另一方面，在預(yù)先不知道物體運(yùn)動(dòng)方向的場(chǎng)合下，只有應(yīng)用三軸加速度傳感器來檢測(cè)加速度信號(hào)。由于三軸加速度傳感器也是基于重力原理的，因此用三軸加速度傳感器可以實(shí)現(xiàn)雙軸正負(fù)90度或雙軸0-360度的傾角，通過校正后期精度要高于雙軸加速度傳感器大于測(cè)量角度為60度的情況?，F(xiàn)在無人機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

三軸加速度傳感器的好處就是在預(yù)先不知道物體運(yùn)動(dòng)方向的場(chǎng)合下，只有應(yīng)用三維加速度傳感器來檢測(cè)加速度信號(hào)。三維加速度傳感器具有體積小和重量輕特點(diǎn)，可以測(cè)量空間加速度，能夠全面準(zhǔn)確反映物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。