MEMS加速傳感器的原理與構(gòu)造

1、微系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用加速度傳感器的原理與構(gòu)造班 級(jí)：2012機(jī)自實(shí)驗(yàn)班指導(dǎo)教師：xxx小組成員：xxxxx大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二OO五年十一月摘 要隨著硅微機(jī)械加工技術(shù)(MEMS)的迅猛發(fā)展,各種基于MEMS技術(shù)的器件也應(yīng)運(yùn)而生,目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的就有壓力傳感器、加速度傳感器、光開關(guān)等等,它們有著體積小、質(zhì)量輕、成本低、功耗低、可靠性高等特點(diǎn),而且因?yàn)槠浼庸すに囈欢ǔ潭壬吓c傳統(tǒng)的集成電路工藝兼容,易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化以及批量生產(chǎn),因而從問世起就引起了廣泛關(guān)注,并且在汽車、醫(yī)藥、導(dǎo)航和控制、生化分析、工業(yè)檢測(cè)等方面得到了較為迅速的應(yīng)用。其中加速度傳感器就是廣泛應(yīng)用的例子之一。加速度傳感器的原理隨其

2、應(yīng)用而不同，有壓阻式，電容式，壓電式，諧振式等。本文著手于不同加速度傳感器的原理、制作工藝及應(yīng)用展開，能夠使之更加全面了解加速度傳感器。關(guān)鍵詞：加速度傳感器，壓阻式，電容式，原理，構(gòu)造目 錄1 壓阻式加速度傳感器31.1 壓阻式加速度傳感器的組成31.2 壓阻式加速度傳感器的原理31.2.1 敏感原理41.2.2 壓阻系數(shù)51.2.3 懸臂梁分析61.3 MEMS壓阻式加速度傳感器制造工藝7結(jié)構(gòu)部分7硅帽部分9鍵合、劃片102電容式加速度傳感器102.1電容式加速度傳感器原理102.1.1 電容器加速度傳感器力學(xué)模型10電容式加速度傳感器數(shù)學(xué)模型122.2電容式加速度傳感器的構(gòu)造13機(jī)械結(jié)構(gòu)布

3、局的選擇與設(shè)計(jì)13材料的選擇15工藝的選擇16具體構(gòu)造及加工工藝173 其他加速度傳感器183.1 光波導(dǎo)加速度計(jì)183.2微諧振式加速度計(jì)183.3熱對(duì)流加速度計(jì)193.4壓電式加速度計(jì)204 加速度傳感器的應(yīng)用204.1原理204.2 功能21參 考 文 獻(xiàn)211 壓阻式加速度傳感器壓阻式器件是最早微型化和商業(yè)化的一類加速度傳感器。這類加速度傳感器的懸臂梁上制作有壓敏電阻，當(dāng)慣性質(zhì)量塊發(fā)生位移時(shí):會(huì)引起懸臂梁的伸長或壓縮，改變梁上的應(yīng)力分布，進(jìn)而影響壓敏電阻的阻值.壓阻電阻多位于應(yīng)力變化最明顯的部位。這樣，通過兩個(gè)或四個(gè)壓敏電阻形成的電橋就可實(shí)現(xiàn)加速度的測(cè)量。其特點(diǎn)在于壓阻式加速度傳感器低

4、頻信號(hào)好、可測(cè)量直流信號(hào)、輸入阻抗低、且工作溫度范圍寬，同時(shí)它的后處理電路簡單、體積小、質(zhì)量輕，因此在汽車、測(cè)振、航天、航空、航船等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。1.1 壓阻式加速度傳感器的組成MEMS壓阻式加速度傳感器的敏感元件由彈性梁、質(zhì)量塊、固定框組成。壓阻式加速度傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)力傳感器，他是利用用測(cè)量固定質(zhì)量塊在受到加速度作用時(shí)產(chǎn)生的力F來測(cè)得加速度a的。在目前研究尺度內(nèi)，可以認(rèn)為其基本原理仍遵從牛頓第二定律。也就是說當(dāng)有加速度a作用于傳感器時(shí)，傳感器的慣性質(zhì)量塊便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)慣性力:F=ma,此慣性力F作用于傳感器的彈性梁上，便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正比于F的應(yīng)變。，此時(shí)彈性梁上的壓敏電阻也會(huì)隨之產(chǎn)生一個(gè)

5、變化量R，由壓敏電阻組成的惠斯通電橋輸出一個(gè)與R成正比的電壓信號(hào)V。1.2 壓阻式加速度傳感器的原理本系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)電路采用壓阻全橋來作為信號(hào)檢測(cè)電路。電橋采用恒壓源供電，橋壓為。設(shè)、為正應(yīng)變電阻，、為負(fù)應(yīng)變電阻，則電橋的輸出表達(dá)式為:我們?cè)陔娮璨季衷O(shè)計(jì)、制造工藝都保證壓敏電阻的一致性，因此可以認(rèn)為有的壓敏電阻和壓敏電阻的變化量都是相等的，即:則電橋輸出的表達(dá)式變?yōu)?1.2.1 敏感原理本論文采用的是壓阻式信號(hào)檢測(cè)原理，其核心是半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng).壓阻效應(yīng)是指當(dāng)材料受到外加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，材料的體電阻率發(fā)生變化的材料性能。晶體結(jié)構(gòu)的形變破壞了能帶結(jié)構(gòu)，從而改變了電子遷移率和載流子密度，使材料的電

6、阻率或電導(dǎo)發(fā)生變化。一根金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為：式中，電阻絲的電阻率;電阻絲的長度;電阻絲的截面積。當(dāng)電阻絲受到拉力作用時(shí)，將伸長，橫截面積相應(yīng)減少,電阻率則因晶格發(fā)生變形等因素的影響而改變，故引起電阻值變化。對(duì)全微分，并用相對(duì)變化量來表示，則有式中的為電阻絲的軸向應(yīng)變.常用單位。若徑向應(yīng)變?yōu)椋刹牧狭W(xué)可知，式中為電阻絲材料的泊松系數(shù)，又因?yàn)?，代入式可得靈敏系數(shù)為對(duì)于半導(dǎo)體電阻材料，即因機(jī)械變形引起的電阻變化可以忽略，電阻的變化率主要由引起，即可見，壓阻式傳感器就是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而工作的。1.2.2 壓阻系數(shù)最常用的半導(dǎo)體電阻材料有硅和鍺，摻入雜質(zhì)可形成P型或N型半

7、導(dǎo)體。其壓阻效應(yīng)是因在外力作用下，原子點(diǎn)陣排列發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及濃度發(fā)生變化而形成的。由于半導(dǎo)體(如單晶硅)是各向異性材料，因此它的壓阻效應(yīng)不僅與摻雜濃度、溫度和材料類型有關(guān)，還與晶向有關(guān)。壓阻效應(yīng)的強(qiáng)弱可以用壓阻系數(shù)來表征。壓阻系數(shù)被定義為單位應(yīng)力作用下電阻率的相對(duì)變化。壓阻效應(yīng)有各向異性特征，沿不同的方向施加應(yīng)力和沿不同方向通過電流，其電阻率變化會(huì)不相同。晶軸坐標(biāo)系壓阻系數(shù)的矩陣可寫成由此矩陣可以看出，獨(dú)立的壓阻系數(shù)分量只有、三個(gè)。稱為縱向壓阻系數(shù); 稱為橫向壓阻系數(shù); 稱為剪切壓阻系數(shù).必須強(qiáng)調(diào)一下，、是相對(duì)于晶軸坐標(biāo)系三個(gè)晶軸方向的三個(gè)獨(dú)立分量。有了晶軸坐標(biāo)系的壓阻系數(shù)之后，

8、就可求出任意晶向的縱向壓阻系數(shù)及橫向壓阻系數(shù)。設(shè)某晶面的晶向的方向余弦為、，其某一橫向的方向余弦為、，則可求出:如果單晶體在此晶向上同時(shí)有縱向應(yīng)力的作用，則在此晶向上(必須是電流流過方向)的電阻率相對(duì)變化，可按下式求得:此式說明，在同一晶體上由兩部分組成，一部分是由縱向壓阻效應(yīng)引起的，一部分是由橫向壓阻效應(yīng)引起的。下表給出了硅和鍺中的獨(dú)立壓阻系數(shù)分量的值。硅和鍺的獨(dú)立壓阻系數(shù)材料類型電阻率P-Si7.86.6-1.1138.1N-Si11.7-102.253.4-13.6P-Ge1.1-3.73.296.7N-Ge9.9-4.7-5-137.91.2.3 懸臂梁分析懸臂梁根部的橫向受力：質(zhì)量塊

9、的質(zhì)量；懸臂梁的寬度和厚度，；質(zhì)量塊中心至懸臂梁根部的距離；加速度懸臂梁的電阻的相對(duì)變化率：1.3 MEMS壓阻式加速度傳感器制造工藝為加工出圖示的加速度傳感器,主要采用下列加工手段來實(shí)現(xiàn)。采用注入、推進(jìn)、氧化的創(chuàng)新工藝來制作壓敏電阻；采用KHO各向異性深腐蝕來形成質(zhì)量塊；并使用AES來釋放梁和質(zhì)量塊；最后利用鍵合工藝來得到所需的“三明治”結(jié)構(gòu)。（使用的是400m厚、N型(100)晶向、電阻率p=2-4的雙面拋光硅片。）結(jié)構(gòu)部分工藝步驟工藝剖面圖初次清洗，熱氧化300 Å第一次光刻，反應(yīng)離子刻蝕余厚400-800Å硼離子注入去膠硼驅(qū)入，具體工藝包括清洗、驅(qū)硼、氧化等二次光刻

10、，反應(yīng)離子刻蝕去膠濃硼擴(kuò)散，工藝內(nèi)容包括清洗、擴(kuò)散、低溫氧化、漂氧化硅、推進(jìn)、熱氧化第三次光刻，反應(yīng)離子刻蝕BHF漂正反面LPCVD 3500Å 1200Å第六次光刻，腐蝕Au/Cr，去膠第七次刻蝕，反應(yīng)離子刻蝕刻蝕，ICP刻硅釋放結(jié)構(gòu)去膠，去導(dǎo)熱硅脂1.3.2 硅帽部分鍵合、劃片2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器，在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如發(fā)動(dòng)機(jī)，數(shù)控車床等等。它具有電路結(jié)構(gòu)簡單，頻率范圍寬約為0450Hz，線性度小于1%，靈敏度高，輸出穩(wěn)定，溫度漂移小，測(cè)量誤差小，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，輸出阻抗低，輸出電量與振動(dòng)加速度的關(guān)系式簡單方便易于計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值

11、。2.1電容式加速度傳感器原理電容式加速度傳感器是基于電容原理的極距變化型的電容傳感器，其中一個(gè)電極是固定的，另一變化電極是彈性膜片。彈性膜片在外力(氣壓、液壓等)作用下發(fā)生位移，使電容量發(fā)生變化。這種傳感器可以測(cè)量氣流(或液流)的振動(dòng)速度(或加速度)，還可以進(jìn)一步測(cè)出壓力。2.1.1 電容器加速度傳感器力學(xué)模型電容式加速度傳感器從力學(xué)角度可以看成是一個(gè)質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)，加速度通過質(zhì)量塊形成慣性力作用于系統(tǒng)，如圖一所示。根據(jù)牛頓第二定律,對(duì)于該力學(xué)模型,可以列寫出下列二階微分方程：其中 將上式進(jìn)行零初始條件下的拉普拉斯變換,得由此可得以加速度作為輸入變量，質(zhì)量塊相對(duì)殼體位移為輸出變量；傳遞函數(shù)

12、為可見,如果將傳感器的殼體固定在載體上,只要能把質(zhì)量塊在敏感軸方向相對(duì)殼體的位移測(cè)出來,便可以把它作為加速度的間接度量。由上式可見，傳感器無阻尼自振角頻率為傳感器阻尼比為從上式可以看出，當(dāng)處于常加速度輸入下的穩(wěn)態(tài)時(shí)，其質(zhì)量塊相對(duì)殼體位移趨于如下穩(wěn)態(tài)值：由上式可見，質(zhì)量塊越大，彈性系數(shù)越小，即系統(tǒng)無阻尼自振角頻率越低，則電容式加速度傳感器靈敏度越高。穩(wěn)態(tài)靈敏度為：2.1.2電容式加速度傳感器數(shù)學(xué)模型當(dāng)加速度時(shí)，質(zhì)量塊位于平衡位置，兩差動(dòng)電容相等，即當(dāng)加速度a不為0 時(shí)，質(zhì)量塊受到加速度引起的慣性力產(chǎn)生位移x，兩差動(dòng)電容間隙分別變?yōu)榭傻貌顒?dòng)方式時(shí)總的電容變化量為質(zhì)量塊由于加速度造成的微小位移可轉(zhuǎn)化

13、為差動(dòng)電容的變化，并且兩電容的差值與位移量成正比。可得輸入加速度a和差動(dòng)電容變化的關(guān)系為由加速度變化到敏感電容變化的靈敏度為電容式加速度傳感器的分辨率受到電容檢測(cè)電路分辨率的限制，分辨率為2.2電容式加速度傳感器的構(gòu)造2.2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)布局的選擇與設(shè)計(jì)當(dāng)前大多數(shù)的電容式加速度傳感器都是由三部分硅晶體圓片構(gòu)成的，中層是由雙層的SOI硅片制成的活動(dòng)電容極板。如圖一所示， 中間的活動(dòng)電容極板是由八個(gè)彎曲彈性連接梁所支撐，夾在上下層兩塊固定的電容極板之間。提高精度很重要的一項(xiàng)措施就是采用差動(dòng)測(cè)量方式，極大地提高了信噪比。因此，電容式MEMS加速度傳感器幾乎全部采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。電容式Mems加速度傳感器的

14、結(jié)構(gòu)布局1基本結(jié)構(gòu)的選擇電容式 MEMS加速度傳感器有許多種機(jī)械結(jié)構(gòu)，。選擇好的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將有助于滿足和提高傳感器的性能，如固有頻率、量程 、機(jī)械強(qiáng)度 、對(duì)載荷的響應(yīng)等等。另外，微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸除了要滿足上述條件外，隨著尺寸的縮小，一些在運(yùn)動(dòng)中起主導(dǎo)作用的 因素將發(fā)生變化。比如靜電力、分子之間的相互作用力、空氣產(chǎn)生的阻尼力等，這些在宏觀中被忽略掉的因素將是影響微結(jié)構(gòu)性能的主要因素。因此在設(shè)計(jì)中也應(yīng)該把這些因素考慮在內(nèi)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮的主要約束條件有：a.量程 具有一定的量程是設(shè)計(jì)加速度傳感器的主要目的。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料力學(xué)等來分析傳感器的最大測(cè)量范圍。 b.剛性約束條件 要求加

15、速度計(jì)在慣性力的作用下，懸臂梁或者撓性軸的最大撓度應(yīng)小于材料所允許的最大相對(duì)撓度。 c.彈性約束條件 要求懸臂梁或者撓性軸上的應(yīng)力不超過材料本身的許用應(yīng)力，以保證結(jié)構(gòu)工作在彈性范圍內(nèi)。 d.諧振頻率約束 加速度計(jì)相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，為了保證有足夠?qū)挼墓ぷ黝l率，希望加速度計(jì)的諧振頻率盡可能高些。但是，諧振頻率又不能太高，以保證有較高的靈敏度。因此，總是希望加速度計(jì)的諧振頻率在一定的范圍內(nèi)。2. 彈性梁的選擇彈性梁的設(shè)計(jì)在MEMS加速度計(jì)中是十分關(guān)鍵的一個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)直接影響到傳感器的量程、分辨率、橫向靈敏度、抗高過載能力等參數(shù)(梁的基本結(jié)構(gòu)如表1所示 )。合理選擇梁的結(jié)構(gòu)類型，是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。

16、表2列出了不同彈性梁與質(zhì)量塊組合時(shí)的性能特點(diǎn)。3. 過載保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)硅微彈性梁作為MEMS器件的基本組成部分，它的幾何尺寸和材料屬性會(huì)直接影響微 器件的工作性能、抗高過載能力，以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。高過載條件下微結(jié)構(gòu)的受力形式主要表現(xiàn)為慣性力，而慣性力作為外力作用在構(gòu)件上時(shí)，產(chǎn)生構(gòu)件內(nèi)力，且內(nèi)力會(huì)隨沖擊加速度的增加而增大，當(dāng)沖擊加速度達(dá)到某一限度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)破壞。若要保證MEMS加速度計(jì)在高過載條件下不失效，則組成的 MEMS加速度計(jì)的微構(gòu)件必須滿足 ：足夠的抵抗破壞能力、足夠的抵抗變形能力和保持原有平衡狀態(tài)的能力。而這些要求均與材料的力學(xué)性能有關(guān)。材料的力學(xué)性能指標(biāo)主要包括 ：比例極限(彈

17、性極限) p、 屈服極限s、強(qiáng)度極限(抗拉強(qiáng)度)b、彈性模量E、延伸率和斷面收縮率等。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常采用止擋塊結(jié)構(gòu)來限制敏感質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)的最大位移。材料的選擇MEMS加速度計(jì)用到的材料比較多，不同的部分很有可能采用不同的材料。例如用于做襯底的襯底材料，用于做掩膜的掩膜材料，用于表面微加工的犧牲層材料等等。微加速度計(jì)常用的材料有單晶硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、多晶硅等等，具體哪種材料用于哪一部分不是固定的，需要在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)其物理化學(xué)性質(zhì)以及在加速度計(jì)中的作用加以綜合考慮。因?yàn)樵搨鞲衅鲃?dòng)態(tài)要求比較高 ，因此在進(jìn)行完結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到結(jié)構(gòu)的尺 寸以后，進(jìn)行有限元分析是必不可少的。運(yùn)用有限元分析

18、軟件ANSYS對(duì)加速度計(jì)模型進(jìn)行分析，可以得到下面的結(jié)果 ： (1)進(jìn)行靜力分析，可以發(fā)現(xiàn)承受應(yīng)力最大的部位。 (2)進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和各固有頻率下的振型。 (3)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，可以得到結(jié)構(gòu)對(duì)外界激勵(lì)的響應(yīng)。通過以上有限元分析的結(jié)果，可以進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，使所設(shè)計(jì)的加速度計(jì)具有更好的性能 。工藝的選擇電容式MEMS加速度計(jì)的工藝一般采用的有：表面工藝、體硅工藝、LIGA工藝及 SOI+DRIE工藝等。如表 3對(duì)這幾種工藝進(jìn)行了對(duì)比。 表面工藝是在集成電路平面工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種微工藝，只進(jìn)行單面光刻。它利用硅平面上不同材料的順序淀積和選擇腐蝕來形成各種微結(jié)構(gòu)。主要包

19、括犧牲層淀積、犧牲層刻蝕、結(jié)構(gòu)層淀積、結(jié)構(gòu)層刻蝕、犧牲層去除(釋放結(jié)構(gòu))等。最后使結(jié)構(gòu)材料懸空于基片之上，形成各種形狀的二維或三維結(jié)構(gòu)。 體硅工藝是指沿著硅襯底的厚度方向?qū)枰r底進(jìn)行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的重要方法。為了形成完整的微結(jié)構(gòu)，往往在加工的基礎(chǔ)上用到鍵合或粘接技術(shù)，將硅的鍵合技術(shù)和體硅加工方法結(jié)合起來。硅的微結(jié)構(gòu)經(jīng)過多次掩膜、單面或雙面光刻以及各向異性刻蝕等工藝而成，然后將有關(guān)部分精密對(duì)準(zhǔn)鍵合成一整體。體硅加工工藝過程比硅表面加工復(fù)雜，體積大，成本高。SO1+DRIE工藝是體硅工藝的一種延伸與發(fā)展。利用絕緣體上硅(SOI)制造單晶硅三維微 結(jié)構(gòu)是最近幾年發(fā)

20、展異常迅速的方法。利用SOI制造微結(jié)構(gòu)的方法幾乎都是利用DINE(深反應(yīng)離子刻蝕)對(duì)單晶硅進(jìn)行深刻蝕。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同、性能要求等可采用正面結(jié)構(gòu)釋放和背面結(jié)構(gòu)釋放。具體構(gòu)造及加工工藝工藝過程中所選取的都是n-type（100）的，兩層鏡面的SOI硅晶層，處理層厚度800 ± 25m，設(shè)備層厚度為30m，氧化層厚度為2m，圖案化淹模要以<110>的晶向排列，前后面精度分別為1.5m和3m。濕法刻蝕的KOH濃度是40%，溫度保持在50度。具體步驟由圖二所示 電容式加速度傳感器制造過程（a）確定上下極板間的電容間距 （b）用KOH對(duì)兩面的SiO2進(jìn)行濕法刻蝕 （c）等SiO2層被

21、去除，新的氧化層會(huì)在兩面重新生成，繼續(xù)用KOH進(jìn)行濕法刻蝕直到SiO2層被完全去除 （d）在兩面涂上光刻膠作為濕法刻蝕的梁結(jié)構(gòu) （e）去除光刻膠以后兩面重新被氧化生成SiO2，隨后再EVG-100覆蓋（f）利用剩下的光刻膠進(jìn)行刻蝕然后移除光刻膠（g）等刻蝕完成，對(duì)稱梁結(jié)構(gòu)形成（h）利用對(duì)稱結(jié)構(gòu)確認(rèn)中間梁位置（i）上下兩層形成2m的SiO2對(duì)稱氧化層來隔絕上中下三層（j）隨后通過梁結(jié)構(gòu)中間層與上下層連接（K）控制480度的粘接溫度隨后在1100度下保存一小時(shí)。3 其他加速度傳感器3.1 光波導(dǎo)加速度計(jì)光波導(dǎo)加速度計(jì)的原理如下圖所示：光源從波導(dǎo)1進(jìn)入，經(jīng)過分束部分后分成兩部分分別通入波導(dǎo)4和波導(dǎo)2

22、，進(jìn)入波導(dǎo)4的一束直接被探測(cè)器2探測(cè)，而進(jìn)入波導(dǎo)2的一束會(huì)經(jīng)過一段微小的間隙后進(jìn)入波導(dǎo)3，最終被探測(cè)器1探測(cè)到。有加速度時(shí)，質(zhì)量塊會(huì)使得波導(dǎo)2彎曲，進(jìn)而導(dǎo)至其與波導(dǎo)3的正對(duì)面積減小，使探測(cè)器1探測(cè)到的光減弱。通過比較兩個(gè)探測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)即可求得加速度。3.2微諧振式加速度計(jì)諧振式加速度計(jì)，Silicon Oscillating Accelerometer，簡稱SOA。一根琴弦繃緊程度不同時(shí)彈奏出的聲音頻率也不同，諧振式加速度計(jì)的原理與此相同。振梁一端固定，另一端鏈接一質(zhì)量塊，當(dāng)振梁軸線方向有加速度時(shí)梁會(huì)受到軸線方向的力，梁中張力變化，其固有頻率也相應(yīng)發(fā)生變化。若對(duì)梁施加一確定的激振，檢測(cè)其響

23、應(yīng)就可測(cè)出其固有頻率，進(jìn)而測(cè)出加速度。激振的施加和響應(yīng)的檢測(cè)通常都是通過梳齒機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。SOA的特點(diǎn)在于，它是通過改變二階系統(tǒng)本身的特性來反映加速度的變化的，這區(qū)別與電容式、壓電式和光波導(dǎo)式的加速度計(jì)。SOA常見的結(jié)構(gòu)有S結(jié)構(gòu)和雙端固定音叉（Double-ended Tuning Fork，DETF）兩種。S結(jié)構(gòu)原理圖如下圖所示，DEFT式就是在質(zhì)量塊的另一半加上和左邊對(duì)稱的一套機(jī)構(gòu)。DEFT是目前SOA的主流結(jié)構(gòu)。3.3熱對(duì)流加速度計(jì)熱對(duì)流加速度的原理與其他加速度計(jì)有根本上的區(qū)別，其他加速度計(jì)的原理都是建立在一個(gè)二階系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，而熱對(duì)流加速度計(jì)采用的是完全不同的原理。一個(gè)被放置在芯片中央

24、的熱源在一個(gè)空腔中產(chǎn)生一個(gè)懸浮的熱氣團(tuán)，同時(shí)由鋁和多晶硅組成的熱電偶組被等距離對(duì)稱地放置在熱源的四個(gè)方向。在未受到加速度或水平放置時(shí)，溫度的下降陡度是以熱源為中心完全對(duì)稱的。此時(shí)所有四個(gè)熱電偶組因感應(yīng)溫度而產(chǎn)生的電壓是相同的（見下圖）。由于自由對(duì)流熱場的傳遞性，任何方向的加速度都會(huì)擾亂熱場的輪廓，從而導(dǎo)致其不對(duì)稱。此時(shí)四個(gè)熱電偶組的輸出電壓會(huì)出現(xiàn)差異，而熱電偶組輸出電壓的差異是直接與所感應(yīng)的加速度成比例的。在加速度傳感器內(nèi)部有兩條完全相同的加速度信號(hào)傳輸路徑：一條是用于測(cè)量X軸上所感應(yīng)的加速度，另一條則用于測(cè)量Y軸上所感應(yīng)的加速度。由于熱對(duì)流加速度計(jì)中沒有可運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊，所以其制造工藝相對(duì)簡單

25、，也比較容易加工，而且其抗沖擊性能非常好，可抗五萬倍重力加速度的加速度。但環(huán)境溫度對(duì)熱對(duì)流加速度計(jì)的影響較大，而溫度變化會(huì)導(dǎo)致零點(diǎn)漂移；同時(shí)熱對(duì)流加速度計(jì)的頻響范圍低，通常是小于35Hz。3.4壓電式加速度計(jì)壓電式加速度計(jì)的數(shù)學(xué)和物理模型與壓阻式和電容式的加速度計(jì)類似，都是通過測(cè)量二階系統(tǒng)中質(zhì)量塊的位移來間接測(cè)量加速度，三者的差別就是在于測(cè)量這個(gè)質(zhì)量塊位移的方法。壓電式加速度計(jì)利用了壓電效應(yīng)，或者更確切地說，是利用了正壓電效應(yīng)，即某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。通過測(cè)量壓電材料兩級(jí)的電勢(shì)差即可求得其形變壓電原理在宏觀尺度的加速度計(jì)中應(yīng)用頗為廣泛，這類加速度計(jì)的構(gòu)造多為基座和質(zhì)量塊之間夾一壓阻材料（如下圖）。而MEMS壓電式加速度計(jì)采用的結(jié)構(gòu)與壓阻式微加速度計(jì)類似（如下圖），都是懸臂梁末端加