使MEMS技術(shù)更為經(jīng)濟(jì)

在過(guò)去的20年中，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了種類繁多的MEMS加速度計(jì)，其中大多數(shù)都是基于同樣的機(jī)械系統(tǒng)：帶有一個(gè)與彈簧相連的敏感質(zhì)量。彈簧的形狀可以是薄膜片式、懸臂梁式或者其它一些結(jié)構(gòu)。
敏感質(zhì)量在加速過(guò)程中所受到的慣性力，能讓懸臂梁彎曲或者使膜片變形，產(chǎn)生出應(yīng)力或者位移。這些機(jī)械信號(hào)通過(guò)采用壓電、壓阻或者電容手段變換為電信號(hào)輸出。經(jīng)過(guò)多年的革新和開(kāi)發(fā)，許多此類器件已經(jīng)成熟，從研究樣機(jī)轉(zhuǎn)化為實(shí)用的、可大批量生產(chǎn)的商品化加速度計(jì)。然而，由于制造要求嚴(yán)格而且許多工藝需要自行開(kāi)發(fā)，這些器件價(jià)格昂貴。
加拿大Simon Fraser 大學(xué)與MEMSIC公司合作，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出新一代經(jīng)濟(jì)型加速度計(jì)。這一新式的熱加速度計(jì)外形小巧、精度高、堅(jiān)固而且價(jià)格低廉。這些固有的優(yōu)點(diǎn)使得熱加速度計(jì)成為商品市場(chǎng)上的理想選擇。
該加速度計(jì)的核心是一個(gè)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(cè)，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(dòng)干擾器件的工作。
當(dāng)電流流過(guò)加熱橋時(shí)，周圍的空氣被加熱并產(chǎn)生溫度梯度。由于兩個(gè)溫度傳感器是對(duì)稱放置的，所以它們感受到相同的溫升，并不產(chǎn)生差分輸出信號(hào)。加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，相應(yīng)的對(duì)流傳熱打破了這一對(duì)稱場(chǎng)，在兩個(gè)溫度傳感器間造成了溫度差，這一差異隨后被轉(zhuǎn)換為與加速度成正比的輸出電信號(hào)。
這種熱對(duì)流加速度計(jì)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的敏感質(zhì)量＋彈簧結(jié)構(gòu)相比有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即無(wú)需固態(tài)的敏感質(zhì)量。這樣，橋結(jié)構(gòu)就可以盡可能輕，減小了大大超出量程的信號(hào)(如搬運(yùn)失誤帶來(lái)的機(jī)械沖擊或者最終用戶系統(tǒng)所受的意外打擊)對(duì)器件造成損傷的機(jī)會(huì)。對(duì)傳統(tǒng)的敏感質(zhì)量＋彈簧結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，要提高靈敏度，就要增加敏感質(zhì)量的大小或降低彈簧常數(shù)，無(wú)論哪種措施都會(huì)影響加速度計(jì)抗超量程信號(hào)損傷的能力。相比之下，熱加速度計(jì)的靈敏度與加熱器和溫度傳感器橋的質(zhì)量無(wú)關(guān)，器件靈敏度的提高根本不會(huì)影響到器件的堅(jiān)固性。
熱加速度計(jì)另一個(gè)重要特征是其結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性。與其他類型的MEMS加速度計(jì)相比，熱加速度計(jì)制造所要求的設(shè)備和需要專門開(kāi)發(fā)的工藝步驟更少。
熱加速度計(jì)簡(jiǎn)單的器件結(jié)構(gòu)為廠家利用標(biāo)準(zhǔn)的代工服務(wù)完成制造提供了很好的機(jī)會(huì)，這大大降低了熱加速度計(jì)在大批量制造時(shí)的固定設(shè)備成本。在代工廠中完成園片制造之后，只需通過(guò)一個(gè)CMOS兼容的、后步腐蝕工藝就可以制作出懸空的橋結(jié)構(gòu)。利用代工廠中成熟的工藝而只需開(kāi)發(fā)一步專門工藝，這大大降低了熱加速度計(jì)的器件成本。
由于其器件幾何尺寸更大，熱加速度計(jì)對(duì)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(guò)1mm，加熱器和溫度傳感器橋的關(guān)鍵尺寸為數(shù)mm到數(shù)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(gè)數(shù)量級(jí)，因此器件性能的重復(fù)性以及成品率都非常高。
以標(biāo)準(zhǔn)制造工藝制作出的產(chǎn)品表明，其未經(jīng)修調(diào)的偏移小于0.5g，器件－器件間靈敏度波動(dòng)小于20％。在封裝修調(diào)電路中使用這些器件，可以在后步腐蝕工藝完成之后進(jìn)一步將這些未經(jīng)修調(diào)的誤差減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。
熱加速度計(jì)的頻率響應(yīng)也極為有限，這是由溫度傳感器橋的熱時(shí)間常數(shù)決定的。典型的熱加速度計(jì)的頻率響應(yīng)小于100Hz，雖然為改善頻率響應(yīng)而進(jìn)行了優(yōu)化的試驗(yàn)性裝置可以工作在400Hz以上，但這種類型的熱加速度計(jì)的頻率響應(yīng)是不可能大大超出這一水平的。
需要注意的第二個(gè)器件特性是：器件的靈敏度會(huì)隨環(huán)境溫度變化而變化。器件的靈敏度來(lái)源于氣體中的熱對(duì)流，相應(yīng)的，其溫度系數(shù)也較大。這種與靈敏度變化有關(guān)的溫度只取決于所用氣體的物理特性，而與熱加速度計(jì)器件結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。所以，熱加速度計(jì)的靈敏度溫度系數(shù)雖然不小，但在器件與器件之間并無(wú)多大差異。所需要采取的全部措施，就是找到一個(gè)溫度補(bǔ)償系數(shù)，用來(lái)在大規(guī)模生產(chǎn)中修正所有熱加速度計(jì)中存在的這一不理想的器件特性。
于是，也就不再需要對(duì)每個(gè)單元都進(jìn)行標(biāo)定，這一獨(dú)特的特性使熱加速度計(jì)有極高的性價(jià)比。
用MEMSIC開(kāi)發(fā)的熱加速度計(jì)全套制造工藝流程，除了一步之外，都可以由代工廠通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)、成熟的CMOS工藝制作出來(lái),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(jì)還內(nèi)置有先進(jìn)的處理電路，以提供如下的功能：

只需對(duì)布線圖作稍許改動(dòng)，就可以基于同樣的對(duì)流傳熱原理制作出一種雙軸加速度計(jì)。該新的熱加速度計(jì)運(yùn)用了新材料和新制造技術(shù)，體現(xiàn)了更經(jīng)濟(jì)的制造方式。它在試驗(yàn)中表現(xiàn)出的高精度和堅(jiān)固性證明：新方法也可以很經(jīng)濟(jì)?！?