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硅微谐振式加速度计研究综述.docx

发布时间：2022-06-03 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.03M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    硅微谐振式加速度计研究综述 硅微谐振式加速度计研究综述 摘要：随着微机械加工技术和封装技术的不断进步发展，各种类型的微机电（MEMS）加速度计层出不穷。 硅作为性能优良的半导体，目前已成为微机电加速度计的主要材料。硅微谐振式加速度计是一种基于 MEMS 技术的新型微惯性器件, 其被用来检测被测量对象加速度信息，是一种适用于高精度导航系统的加速度计。 本文阐述了硅微谐振式加速度计的一些背景意义，以及其发展现状。又以其新原理、小尺寸、低成本以及 更高的性能指标，硅微谐振式加速度计在测控电路上具有广泛的应用，这也将在 MEMS 领域掀起新一轮的 研究热潮。 关键词：MEMS;硅微机电加速度计；谐振式；测控电路 中图分类号：TH89 文献标志码：A Abstract ： With the development of micro-machining technology and packaging technology, various types of microcomputer (MEMS) accelerometers are emerging. As a semiconductor with excellent performance, silicon has become the main material of microelectromechanical accelerometer. Silicon micro resonant accelerometer is a kind of new type of micro inertial device based on MEMS technology, it is used to detect acceleration information of measured object, is a kind of the accelerometer is suitable for high precision navigation system. In this paper, some background and development status of silicon micro resonant accelerometer are described. And new principle, with its small size, low cost and higher performance index, the silicon resonant accelerometer in the measurement and control circuit has wide application; it will also bring about a new round of research in the field of MEMS. Key words ： MEMS; Silicon microelectromechanical accelerometer; resonant; measurement and control circuit 引言：微机械加速度计的研究始于 20 世纪 70 年代初，始于 1977 年美国 Stanford 大学、加州大学 Berkley 分校和 Draper 实验室开始采用 MEMS 工艺制作硅微机械加速度 计【1】。后来随着技术的发展，微机械加速度计不断更新发展，其中就诞生了硅微谐振式加速 度计，硅微谐振式加速度计是以微机械加工工艺为基础制作的 MEMS 惯性器件，具有量程大， 分辨率高、稳定性好、体积小、重量轻等特点，且输出为频率信号，便于检测和数字化系统 集成，并在电路中有大量应用，因此许多科研机构都致力于该技术的研究[2]。 1. 硅微谐振式加速度计研究背景和意义 1.1 硅微谐振式加速度计研究背景 MEMS 是近年发展起来的新兴的交叉学科,它综合了微电子学、机械学、电学、光学、电 磁学、生物和化学等多个领域的内容。从诞生之日起,它的理论研究和应用研究都是一直被 关注和探讨的热门课题。20 世纪 80 年代后期,MEMS 技术的发展使得惯性传感器在微观领域 有了极大的发展空间。惯性传感器是利用物体的惯性性质来测量物体运动情况的一类传感器, 传统惯性传感器由于体积大、重量重、成本高等原因,极大地限制了他们的应用,而 MEMS 技 术,使得微惯性传感器朝着小体积、低能耗、集成度高、智能化程度高等方向发展。微机电 （MEMS）加速度计是通过微机械加工工艺制作的一类惯性器件，相比于传统的加速度计，它 具有尺寸小，质量轻，功耗低，成本低的特点[3][4]。微机电加速度计近年来在汽车、信息、 通讯、医疗、计算机、地震检测、消费电子、航天等领域得到了广泛的应用,不同领域对加 速度计的性能指标要求不同，需要种类繁多的产品。常见的微加速度计按敏感原理的不同， 主要可以分为：隧道效应式加速度计、硅微压阻式加速度计、硅微压电式加速度计、硅微电 容式加速度计以及硅微谐振式加速度计等[5]。3 其中，最有可能实现高性能、小型化的是电 容式与谐振式加速度计。电容式硅微加速度计采用位移检测，幅度调制的模式对加速度进行 1
    硅微谐振式加速度计研究综述 测量。谐振式硅微加速度计采用应力检测，频率调制的模式对加速度进行测量。电容式硅微 加速度计目前已经发展比较成熟，在对精度要求不是特别高的领域已经得到了很好的应用。 谐振式硅微加速度计目前发展还不成熟，还处在实验室科研阶段[6]。 1.2 硅微谐振式加速度计的研究意义 谐振 MEMS 加速度计其独特的性能优势逐渐加速发展，与一般的加速度计不同的是，谐 振式加速度计是通过检测谐振梁输出频率信号的变化来计算加速度信息的，且倾向于使用数 字信号输出，因此在信号传输过程中具有良好的灵敏度，较高的分辨率，而且稳定性很高， 大大降低了检测轻微加速度的困难。同时数字信号处理检测电路设计还具有体积小，重量轻， 可靠性高，功耗低，成本低等优势[7]。相比较于电容式加速度计，硅微谐振式加速度计具有 如下优点[8]: 1）、动态范围大； 2）、输出的是频率信号，可与数字电路及计算机直接接口，降低了检测难度； 3）、频率信号具有很高的抗干扰能力和稳定性； 4）、灵敏度高，精度高，稳定性和可靠性好。 因此，MEMS 谐振式加速度计的设计和研究具有重要的现实意义。 2. 硅微谐振式加速度计的原理和方法 2.1 硅微谐振式加速度计的工作原理 硅微谐振式加速度计主要由以下几个部分组成：双端固定音叉（DETF）、梳齿结构、 力放大机构（微杠杆结构）、质量块和支撑结构[9]。 硅微谐振式微机械加速度计是近年来发展起来的新型微机械加速度计，其基本工作 原理是利用振梁的力频特性，通过检测谐振频率变化量获取输入的加速度大小。硅微谐 振式加速度计基本机构由敏感质量块和对称分布的两个谐振器组成，当有外部加速度作 用在加速度计上时，敏感质量块上的惯性力会施加在两个谐振器上。其中一个谐振器受 拉，谐振频率增大；而另一个谐振器受压，谐振频率减小。两个频率值的差值作为最后 的输出值,固谐振式加速度计通过检测谐振器谐振频率的变化来敏感加速度的大小[10][11]。 2.2 硅微谐振式加速度计的设计方法 对于硅微谐振式加速度计的设计应用，主要是基于加速度计的测控电路的设计， 因此需要对测控电路进行设计优化，主要考虑以下几个方面[12]： (1)锁相环高精度相位控制 虽然目前采用的集成锁相环来实现相位控制,但在实验过程中发现输出信号的 相位并不是一个定值,而是在某个定值上下来回波动,相位得不到精准控制,会导致 输出信号的不稳定,因此实现精准的相位控制可以提高加速度计的系统性能。 (2)高 Q 值加速度计噪声的避免 随着硅微谐振式加速度计 Q 值的大幅度增加,其表头结构受到的干扰就大大减 小,因此就增加了电路中的微弱噪声对系统的影响,因此对系统中存在的微弱噪声进 行研究很有必要。 (3)系统集成化的设计 本实验室研制的硅微谐振式加速度计原理样机是采用模拟电路设计的驱动电路 系统,而模拟电路中的元器件易受环境限制和影响。在数字电路的基础上,系统集成 化不仅可以提高信号的抗干扰能力,减少信号传输的耗损,同时大大减小系统的体积, 提高系统的温度性能 2
    硅微谐振式加速度计研究综述 3. 硅微谐振式加速度计系统国内外研究现状 近年来，美国、德国、日本、韩国、新加坡、中国等都在积极进行微机械加速度计 的研究[13-18]，不断尝试采用新的加工方法、工作原理和结构来提高传感器的性能指标和 降低成本。近年来，依据谐振原理，利用表面微机械技术和体硅微机械技术研制的 MEMS 加速度计屡见报道，国内外的各研究单位也分别在其中一方面或几方面取得了研究成果 [19]。 3.1 硅微谐振式加速度计国内外研究现状 3.1.1 国外研究现状 在硅微谐振式加速度计研究方面,美国的 Draper 实验室一直处于世界领先水平，其应用 领域主要是导弹制导和核潜艇导航等，这要求加速度计的动态范围广以及较高的分辨率和零 偏稳定性。Draper 实验室于 2000 年公布了一款高性能产品[20][21]，该加速度计采用 SOG 工艺 制备，并采用真空封装,其品质因数达到了 100000 以上。通过实验测得，谐振频率的基频为 20kHz，零偏稳定性为 5µg，标度因数稳定性达到 3ppm。 经过不断改进，Hopkins 等人又于 2005 年公布了第二代的高性能硅微谐振式加速度计 [22]。该加速度计在 2000 年的设计基础上，改进了 MEMS 工艺和结构，减小了 MEMS 工艺中 产生的残余应力，同时优化电路，对 1/f 噪声进行抑制，降低了输出的漂移。实验室条件 下，第二代加速度计样机的白频噪声为 4.5µg/√Hz，零偏不稳定性达到 0.2µg，标度因数 稳定性达到 0.14ppm。这是迄今为止所公开的性能最高的硅微谐振式加速度计，处于国际领 先地位。 2006 年，韩国首尔大学 Chul Hyun 等人发明了一种利用静电激励下静电刚度效应的谐 振式加速度计[23]。这种基于静电刚度改变的谐振式加速度计具有很高的灵敏度和静电可调谐 性，且加工制造简单。结构具有互相解耦的质量块和各自独立的扭转梁。由于两个振动质量 块不均等分部，外部加速度使得振动质量块和底部电极的距离发生变化，这一变化导致静电 刚度变化，继而导致谐振频率的变化，由于质量块的互补结构，两个谐振频率的变化形成差 分输出。 2008 年,英国剑桥大学设计的谐振式加速度计将重力加速度用静电力模仿出来,谐振梁 刚度随着静电力的变化而变化,从而改变谐振频率,同时其 Q 值高达 80000。由于谐振器的传 输阻抗很高,所以驱动电路采用高增益闭环驱动。而高增益可能造成谐振梁产生不必要的振 动模态,因此可以通过带通滤波器将多余的振动模态滤除。环路中增加了比较器来实现电压 限幅的目的,用以控制驱动信号的幅度。 2010 年，意大利米兰理工学院的 Comi 等人公布了一种新型的高灵敏度硅微谐振式加 速度计[24]。该加速度计结构采用表面硅微加工技术制成，结构厚度为 15µm，敏感质量块面 积为 400µm2，整体器件面积为 0.25mm2。得益于良好的结构设计，在相对较小的芯片面积下， 加速度计的标度因数高达 430Hz/g。但该加速度的线性范围较小，仅限于±1g。 2013 年,美国加利福利亚大学设计了一种基于微分调频的硅微谐振式加速度计该加速 度计基于频率跟踪,采用真空级封装的 SOI 音叉式谐振器,因此具有很高的品质因数。 2016 年加拿大西蒙弗雷泽大学公布了一种双模式谐振电容式 MEMS 加速度计。加速度计 由电耦合的微谐振器和检测质量组成。 3.1.2 国内研究现状 国内已有东南大学[25]、南京理工大学、清华大学、北京大学[26][27]、天津大学、北京航空 航天大学等科研机构陆续加入了硅微谐振式加速度计的开发研究工作。 2003 年,天津大学设计的无力放大构件的谐振式硅微加速度计,其谐振器采用双端固定 音叉(DETF)结构。 3
    硅微谐振式加速度计研究综述 2004 年，北京大学公布了一种基于体硅微加工技术的硅微谐振式加速度计结构[26][27]。 该加速度计采用差分结构，由两个 DETF 谐振器，一个敏感质量块和四套微杠杆系统组成。 其中谐振器采用梳齿电容结构进行静电驱动和电容检测，谐振梁长 800µm，宽 5µm，厚度 80µm。测试结果表明该加速度计样机的固有频率为 24.9kHz，标度因数为 27.3Hz/g，阈值 为 167.8µg。 南京理工大学 MEMS 惯性技术研宄中心长期致力于 SRA 的研究,取得了不断的进步,现已 发表了多篇关于 SRA 的结构、电路及整表性能的论文及专利，并在此基础上完成了样机的研 制[8]。课题组在 2012 年研制出了第三代硅微谐振式加速度计。实验室条件下,测得其零偏稳 定性优于 l00µg，量程大于±40g。 2013 年,东南大学研制的硅微谐振式加速度计原理样机的驱动电路采用锁相环闭环控 制电路,同时为了降低谐振器对温度的敏感性,设计并试验了多种结构形式。测试结果表明, 硅微谐振式加速度计的两个谐振器的基频分别为 31.5kHz 和 31.4kHz,标度因数为 66.24HWg, 标度因数重复性为 23ppm,标度因数稳定性为 14.886ppm,偏值重复性为 170 吨,偏值稳定性为 23µg,谐振频率温度系数为 0.0734HWC。 2014 年,清华大学提出了一种硅微谐振式加速度计结构设计方法[。建立了一种“玻璃- 陶瓷”和“硅-玻璃”的耦合模型,分析了硅微振梁式加速度计产生温度漂移的原因。采用了 一种了“抗温漂耦合设计”的微结构,同时采用“半粘合封装”的封装工艺,从理论上降低了 耦合模型的温漂。 2016 年北京航天控制仪器研究所采用一种新的基于双检测质量块和谐振音叉硅微谐振 式加速度计结构形式。 3.2 硅微谐振式加速度计测控电路的国内外研究现状 3.2.1 国外研究现状 测控电路的作用是将硅微谐振式加速度计进行驱动并实时测量谐振器的频率，从而得到 加速度输出，它对加速度计的性能有着重要的影响。 早期的 MEMS 加速度计测控电路基于幅度反馈控制方式实现，这种方式的原理是构建一 个幅度反馈环路，使振幅能够被控制在一个设定好的基准值附近，从而使谐振器机械结构在 线性区间内稳幅震荡[28]。该种驱动电路控制策略较为简单，工作稳定，并且各模块都在线性 区间不会引起混叠效应。 2008 年新加坡国立大学 Helin 等人使用自动幅度控制实现了一种高性能面向导航级 应用的硅微谐振式加速度计及其专用集成电路。最终该设计在标准 0.35µm 的 CMOS 工艺下 制作，经测试，样机在±20g 的量程下实现了 4µg 的零偏不稳定度[29]。在此基础上，新加坡 国立大学与南京理工大学的王希等人在 2015 年的国际固态电路会议 (ISSCC) 上发表了一 篇低至 0.4µg 零偏不稳定度的测控电路[30]。首次将硅微谐振式加速度计的零偏不稳定度降 低到 1µg 以下。该工作在 Helin 测控电路的基础上，改用了连续时间的前端放大器，消除 了噪声混叠，同时提出了一种幅度抖动极低的电压-电流转换器。 米兰理工学院在 2010 年提出的测控电路[23]，它采用比较器提取振动信号的相位，并且 通过电路赋予其合适的驱动力振幅，使振荡器能够稳定工作。这种方式能够减少由于闭环控 幅电路引入的调幅噪声。 Colibrys 公司在 2012 年发表的文章中介绍了一款导航级 Sigma-Delta MEMS 加速度计[31]。 该加速度计接口部分使用前放和 ADC，其余电路全部在数字中完成。同时，采用闭环结构， 降低了结构等效噪声和量化噪声，同时提高了结构的线性度，保证了振动环境下的性能。 3.2.2 国内研究现状 国内中北大学、南京理工大学、东南大学、清华大学等单位在谐振式加速度计测控电路 研究方面取得了显著的成果。 4
    硅微谐振式加速度计研究综述 2014 年,北京航天控制仪器研宄所公布了一种硅微谐振式加速度计采用锁相环系统来 实现精密锁相的滤波器的设计方法。 2014 年南京理工大学提出了一种快捷的硅微谐振式加速度计驱动电路设计方法[2]。它将 遗传算法与低频模型相结合,可提高驱动电路的瞬态性能,并缩短设计周期。该方法通过对闭 环电路模型进行高低频解親,将低频模型提取出来后与遗传算法相结合,得到完整的优化方 法。实验结果表明,参数优化后超调量低于 50%,相位误差小于 5°. 2015 年,清华大学研宄了一种基于零偏温漂抑制方法的闭环控制电路。该方法基于闭环 点位置控制,利用测温电路生成线性控制电压,在不同温度下将闭环点位置控制在零反馈位 置附近。 4. 硅谐振式加速度计的应用前景 硅微谐振式加速度计是基于 MEMS 技术的一种新型微惯性器件,它具有体积小、功耗 低、集成度高、灵敏度好等特点,是一种适用于高精度导航系统的高分辨率加速度计,具 有广泛的应用前景,自上世纪 90 年代以来一直处于快速发展中,是各个发达国家国防研 究的热点之一。 硅微谐振式加速度计涉及的研究领域很广,包括机械、电子、材料、物理学等,是一 个多学科交叉的前沿研究领域,同时在导航、制导等民用领域和军事领域具有潜在的应 用价值。国内硅微谐振式加速度计的研究起步于 2000 年左右,当前国内多家单位所研制 的原理样机己能够达到较高的精度,而测控电路对原理样机系统性能具有主要的影响。 随着新材料和新检测机理的不断出现，硅微机电加速度计一方面朝着低成本的方向 发展（民用级），另一方面朝着高精度的方向发展（惯导级）。不同的应用领域关注的要 素也不一样。各种新技术的出现和发展都在推动着硅微机电加速度计朝着低成本、高精 度的方向发展。低成本、高精度、智能化的硅微机电加速度计将继续推动惯性导航、工 业、医疗、自动化、消费电子等众多领域的飞速发展。 5.存在问题 硅微谐振式加速度计的性能取决于结构设计、封装、电路等方面。对于硅微谐振式加速 度计本身需要考虑温度和振动问题。对于系统的应用，其中，测控电路决定了传感器噪声、 稳定性、功耗等多项关键指标。经过多年的发展,硅微谐振式加速度计的性能得到了极大的 提高,尤其在结构、封装等方面。但大量的谐振式加速度计仍然采用分立器件电路实现测控 系统，使得测控电路逐渐成为制约加速度计性能、功耗、和体积的瓶颈。因此研究并设计硅 微谐振式加速度计测控电路成为了当前提升传感器性能最为关键的环节。 传统的硅微谐振式加速度计测控电路采用模拟器件实现，而模拟器件其缺点十分明显， 如分立元件数量多，可靠性较差，元件参数易受温度、老化等因素影响，长期测量漂移量较 多，不易使用一些先进控制算法等，这些因素最终都会影响加速度计的零偏输出以及标度因 数，从而无法达到更高的综合性能[32]。此外，传统的模拟电路从理论设计到硬件实现的周期 过长，无法快速从硬件层次验证测控电路的性能。 与模拟测控电路相比较,数字电路具有如下优点[33]： 1） 稳定性好。数字系统不像模拟系统易受电磁干扰,没有模拟器件带来的温度漂移及不 确定噪声影响，稳定性较高。 2） 可靠性高。数字系统只有高低电平，只需要辨别出信号的有与无，电路参数可以有一 定的漂移变化。 3） 相对灵活可移植。数字系统只需调整程序就能调整电路参数，对于不同的加速度计更 改一定的程序即可在同一电路模块实现功能，此外，数字系统可实现模拟系统无法实现的较 5
    硅微谐振式加速度计研究综述 复杂数学运算和算法功能。 4） 易于 ASIC 化。随着大规模集成电路的发展,电路集成度越来越高，如若使用 FPGA 作 为数字系统控制巧片，则电路稍加修改即可转换为集成电路芯片。 6.总结 硅微电容式加速度计已经发展了相当长的时间，相关技术也比较成熟，在对精度要求不 是特别高的领域（民用级）已经得到了很好的应用。硅微谐振式加速度计发展比较晚，相关 技术目前发展还不成熟，还处在科研阶段，还没有相应产品问世。另一方面，我国的硅微谐 振式加速度计发展较慢，不如国外成熟，因此还需我们对于这方面继续加深研究。不过，总 的来说，随着 MEMS 技术的不断发展，硅谐振式加速度计的研究肯定越来越成熟，应用更广 泛。 同时为了使硅微谐振式加速度计有更加突出的优势，在未来的测控电路研究方面，通过 可编程数字电路取代模拟电路，实现测控信号处理功能已成为的必然趋势。这也是国内外机 构研究的热点和 MEMS 加速度计的一个重要发展方向，具有广泛的应用前景。 参考文献： [1] Maluf N． An introduction to micro-electro-mechnical systems engi-neering［Z］． Norwood， MA，USA: Artech House Inc，2000． [2] 赵健，苏岩，夏国明等. 硅微谐振式加速度计驱动电路参数优化[J]. 光学精密程, 2014，22（6）： 1050-1056. [3] Maluf N. BOOK REVIEW:, An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering[J]. Measurement Science & Technology, 2002, 13(13):229. [4] Weinberg M S, Bernstein J J, Borenstein J T, et al. Micromachining inertial instruments[C]// Micromachining and Microfabrication. International Society for Optics and Photonics, 1996:26-36. [5] 张霞. 微机械加速度计的研究现状综述[J]. 功能材料与器件学报, 2013(6):275-283. [6] 苏岩，王雅刚，姚志超等. 硅微谐振式加速度计发展综述[J]. [7] 张恩杰. MEMS 谐振式加速度计频率检测电路设计[D].哈尔滨工业大学，2016. [8]徐佩文. 硅微谐振式加速度计闭环振荡系统稳定性研究[D]. 南京理工大学, 2015. [9] 裘安萍，庄瑞芬，施芹. 硅微谐振式加速度计结构设计与仿真[J]. 中国惯性技术学报, 2009,13(1):92-97. [10] 庄瑞芬. 硅微谐振式加速度计结构设计技术研究[D]. 南京理工大学, 2009. [11] 董金虎. 硅微谐振式加速度计的温度特性研究[D]. 南京理工大学, 2012. [12] 冀乔伟. 硅微谐振式加速度计测控电路性能提升技术研究[D]. 东南大学，2017. [13] Burrer C，Esteve J． Resonant silicon accelerometers in bulk mi-cromachining technology—An Approach［J］． Journal of Micro-Electro-Mechanical Systems，1996，5( 2) : 122 － 130． [14]Tabata O，Yamamoto T． Two-axis detection resonant accelerometerbased on rigidity change ［J］． Sensors and Actuators，1999，75( 1) : 53 － 59． [15]Su S X P，Yang H S，Agogino A M． A resonant accelerometer withtwo-stage microleverage mechanisms fabricated by SoI-MEMStechnology［J］． IEEE Sensors Journal，2005，5( 6) : 1214 － 1223． [16]Seok S，Chun K． Inertial-grade in-plane resonant silicon Letters，2006，42( 19) : 1092 － 1094． accele-rometer［J］． Electronics 6
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