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MEMS器件的设计实例——加速度计 中北大学微米纳米技术研究中心 主要内容 什么是加速度计加速度计的分类加速度计的设计步骤加速度计的具体设计方案 什么是加速度计加速度计的分类加速度计的设计步骤加速度计的具体设计方案 加速度计是一种测量运动物体加速（或减速）的仪器。微加速度计用来探测机械系统运动中有关的动态力。 三种主要加速度计:压阻式加速度计 电容式加速度计 隧道效应加速度计 基本物理原理 F=ma 什么是加速度计加速度计的分类微机电系统的设计步骤加速度计的具体设计方案 压阻式微型加速度计 压阻式加速度计利用质量块把加速度的变化通过支撑臂的应力变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路测出被测量值的变化。 压阻式微型加速度计例 压阻式微型加速度计的特点 优点：制作工艺较简单，检测电路简单，易于获得较大的质量块和高g值； 缺点： 温度稳定性较差。 电容式微型加速度计 利用质量块把加速度的变化转换成电容电极间极距的变化，一般采用差分结构。 不同的电容测量方式 电容式微型加速度计例 电容式微型加速度计的特点 优点：稳定性好、灵敏度高、适用温度范围广。 缺点：对电路要求较高。 体硅工艺加速度计能达到高g值量程，其缺点是不便于与电路集成； 表面工艺加速度计制作简便、成本低、适合于与电路集成，但难于实现高g值。 隧道效应微型加速度计 在探针电极与检测电极间施加一个偏置电压，当探针与检测电极间的距离非常接近时(nm量级)，它们的表面电子云就有可能重叠，在两者之间施加一个微小电压，电子就会穿过两个电极之间的势垒，形成隧道电流。 隧道效应微型加速度计工作原理 隧道效应微型加速度计例（1） 隧道效应微型加速度计例（2） 隧道效应微型加速度计的特点 优点：灵敏度高、带宽宽； 缺点：对电路要求较高，需反馈控制。 什么是加速度计加速度计的分类加速度计的设计步骤加速度计的具体设计方案 一 微机电系统设计过程 微系统和其它产品在机械工程设计上的主要区别是:微系统的设计需要集成相关的制造和加工工艺。 在微系统设计中有三个主要任务是互相交联在一起的： （1）工艺流程设计； （2）机电和结构设计； （3）包括封装和测试在内的设计验证。 设计约束可能很多，也可能不多，根据具体情况而 定。很多约束是与产品的市场相关的，是非技术 的。下面是微系统的一些典型约束。 客户需求。 进入市场时间（TIM）。 环境条件。 物理尺寸和重量限制 应用 制造设备 成本。 材料选择 主要基底材料 有两类基底材料： （1）仅用于支撑的钝性基底材料。这包括聚合物、塑料、陶瓷等； （2）活性基底材料，如硅、砷化镓、石英等，在微系统中用于传感或致动部件中。 硅： 机械性能稳定，成本不高，加工性好； 是微传感器和加速度计的极好的备选材料。 砷化镓： 对外部影响（例如光线中的光子），即使在高温情况下，响应快； 可用于热绝缘； 它的高压电性使得这种材料适合精密致动； 适合表面微加工； 是光学快门、斩波器和致动器的优良备选材料； 是微器件和微电路所需要的材料； 缺点是价格比硅等其它基底材料高的多。 石英： 即使在高温下，比硅和硅族化合物有更好的机械稳定性； 热延展率极小，所以是高温应用的理想材料； 具备精密微致动器需要的出色的谐振能力； 缺点是难以加工成所需要的形状。 聚合物： 主要用作钝性基底材料； 材料和生产工艺成本都低； 易于加工成所需要的形状； 易于合金化满足特殊需求； 对温度和湿度等环境因素敏感； 容易受化学品侵蚀； 寿命与其它聚合物一样，随时间退化。 其它硅组基底 二氧化硅（SiO2）： 很容易在硅基底表面生长或淀积在表面，如第八章所述； 有出色的热和电绝缘性； 可以作为很好的硅基底湿法腐蚀时的掩模材料。 碳化硅（SiC）： 即使在高温下，尺寸和化学性质稳定； 干法腐蚀时用铝作掩模，很容易图形化； 深层腐蚀时很出色的钝化材料。 氮化硅（Si3N4）： 在扩散工艺中能很好的阻挡水和钠； 在深层腐蚀和离子注入的时候是好的掩模材料； 是极好的光波导材料； 是好的高强度电绝缘保护材