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        使MEMS技術更為經濟

        作者:MEMSIC公司 John Pyle 時間:2004-07-21 來源:電子產品世界 收藏
        在過去的20年中,人們已經開發出了種類繁多的MEMS加速度計,其中大多數都是基于同樣的機械系統:帶有一個與彈簧相連的敏感質量。彈簧的形狀可以是薄膜片式、懸臂梁式或者其它一些結構。
        敏感質量在加速過程中所受到的慣性力,能讓懸臂梁彎曲或者使膜片變形,產生出應力或者位移。這些機械信號通過采用壓電、壓阻或者電容手段變換為電信號輸出。經過多年的革新和開發,許多此類器件已經成熟,從研究樣機轉化為實用的、可大批量生產的商品化加速度計。然而,由于制造要求嚴格而且許多工藝需要自行開發,這些器件價格昂貴。
        加拿大Simon Fraser 大學與MEMSIC公司合作,已經開發出新一代經濟型加速度計。這一新式的熱加速度計外形小巧、精度高、堅固而且價格低廉。這些固有的優點使得熱加速度計成為商品市場上的理想選擇。
        該加速度計的核心是一個在硅襯底上制作出的空腔,它可以提供有熱隔離性的空氣空間。3根薄膜微橋懸空于該空腔上,其中一根加熱橋位于中間,而另外兩根溫度敏感橋置于兩側,并與加熱橋保持相同的距離。該器件置于氣密封裝中,以防止外部的空氣流動干擾器件的工作。
        當電流流過加熱橋時,周圍的空氣被加熱并產生溫度梯度。由于兩個溫度傳感器是對稱放置的,所以它們感受到相同的溫升,并不產生差分輸出信號。加速運動時,相應的對流傳熱打破了這一對稱場,在兩個溫度傳感器間造成了溫度差,這一差異隨后被轉換為與加速度成正比的輸出電信號。
        這種熱對流加速度計結構與傳統的敏感質量+彈簧結構相比有一個優點,即無需固態的敏感質量。這樣,橋結構就可以盡可能輕,減小了大大超出量程的信號(如搬運失誤帶來的機械沖擊或者最終用戶系統所受的意外打擊)對器件造成損傷的機會。對傳統的敏感質量+彈簧結構來說,要提高靈敏度,就要增加敏感質量的大小或降低彈簧常數,無論哪種措施都會影響加速度計抗超量程信號損傷的能力。相比之下,熱加速度計的靈敏度與加熱器和溫度傳感器橋的質量無關,器件靈敏度的提高根本不會影響到器件的堅固性。
        熱加速度計另一個重要特征是其結構的簡單性。與其他類型的MEMS加速度計相比,熱加速度計制造所要求的設備和需要專門開發的工藝步驟更少。
        熱加速度計簡單的器件結構為廠家利用標準的代工服務完成制造提供了很好的機會,這大大降低了熱加速度計在大批量制造時的固定設備成本。在代工廠中完成園片制造之后,只需通過一個CMOS兼容的、后步腐蝕工藝就可以制作出懸空的橋結構。利用代工廠中成熟的工藝而只需開發一步專門工藝,這大大降低了熱加速度計的器件成本。
        由于其器件幾何尺寸更大,熱加速度計對工藝控制要求較寬松。典型的空腔尺寸范圍從幾百mm到超過1mm,加熱器和溫度傳感器橋的關鍵尺寸為數mm到數十mm。這些尺寸比代工廠亞0.5mm的制造能力至少高出1~2個數量級,因此器件性能的重復性以及成品率都非常高。
        以標準制造工藝制作出的產品表明,其未經修調的偏移小于0.5g,器件-器件間靈敏度波動小于20%。在封裝修調電路中使用這些器件,可以在后步腐蝕工藝完成之后進一步將這些未經修調的誤差減小一個數量級。
        熱加速度計的頻率響應也極為有限,這是由溫度傳感器橋的熱時間常數決定的。典型的熱加速度計的頻率響應小于100Hz,雖然為改善頻率響應而進行了優化的試驗性裝置可以工作在400Hz以上,但這種類型的熱加速度計的頻率響應是不可能大大超出這一水平的。
        需要注意的第二個器件特性是:器件的靈敏度會隨環境溫度變化而變化。器件的靈敏度來源于氣體中的熱對流,相應的,其溫度系數也較大。這種與靈敏度變化有關的溫度只取決于所用氣體的物理特性,而與熱加速度計器件結構無關。所以,熱加速度計的靈敏度溫度系數雖然不小,但在器件與器件之間并無多大差異。所需要采取的全部措施,就是找到一個溫度補償系數,用來在大規模生產中修正所有熱加速度計中存在的這一不理想的器件特性。
        于是,也就不再需要對每個單元都進行標定,這一獨特的特性使熱加速度計有極高的性價比。
        用MEMSIC開發的熱加速度計全套制造工藝流程,除了一步之外,都可以由代工廠通過標準、成熟的CMOS工藝制作出來,為了形成空腔,采用了一種專有的、與CMOS兼容的工藝后腐蝕。這些熱加速度計還內置有先進的處理電路,以提供如下的功能:

        只需對布線圖作稍許改動,就可以基于同樣的對流傳熱原理制作出一種雙軸加速度計。該新的熱加速度計運用了新材料和新制造技術,體現了更經濟的制造方式。它在試驗中表現出的高精度和堅固性證明:新方法也可以很經濟?!?


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