使MEMS技術(shù)更為經(jīng)濟

在過(guò)去的20年中，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了種類(lèi)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(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構。
敏感質(zhì)量在加速過(guò)程中所受到的慣性力，能讓?xiě)冶哿簭澢蛘呤鼓て冃?，產(chǎn)生出應力或者位移。這些機械信號通過(guò)采用壓電、壓阻或者電容手段變換為電信號輸出。經(jīng)過(guò)多年的革新和開(kāi)發(fā)，許多此類(lèi)器件已經(jīng)成熟，從研究樣機轉化為實(shí)用的、可大批量生產(chǎn)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(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(jià)格低廉。這些固有的優(yōu)點(diǎn)使得熱加速度計成為商品市場(chǎng)上的理想選擇。
該加速度計的核心是一個(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，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。
當電流流過(guò)加熱橋時(shí)，周?chē)目諝獗患訜岵a(chǎn)生溫度梯度。由于兩個(gè)溫度傳感器是對稱(chēng)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。加速運動(dòng)時(shí)，相應的對流傳熱打破了這一對稱(chēng)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(zhì)量＋彈簧結構相比有一個(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(lái)的機械沖擊或者最終用戶(hù)系統所受的意外打擊)對器件造成損傷的機會(huì )。對傳統的敏感質(zhì)量＋彈簧結構來(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，無(wú)論哪種措施都會(huì )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(zhì)量無(wú)關(guān)，器件靈敏度的提高根本不會(huì )影響到器件的堅固性。
熱加速度計另一個(gè)重要特征是其結構的簡(jiǎn)單性。與其他類(lèi)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(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的工藝步驟更少。
熱加速度計簡(jiǎn)單的器件結構為廠(chǎng)家利用標準的代工服務(wù)完成制造提供了很好的機會(huì )，這大大降低了熱加速度計在大批量制造時(shí)的固定設備成本。在代工廠(chǎng)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構。利用代工廠(chǎng)中成熟的工藝而只需開(kāi)發(fā)一步專(zhuān)門(mén)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(guò)1mm，加熱器和溫度傳感器橋的關(guān)鍵尺寸為數mm到數十mm。這些尺寸比代工廠(chǎng)亞0.5mm的制造能力至少高出1~2個(gè)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(chǎn)品表明，其未經(jīng)修調的偏移小于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)修調的誤差減小一個(gè)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(shí)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(jìn)行了優(yōu)化的試驗性裝置可以工作在400Hz以上，但這種類(lèi)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(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)源于氣體中的熱對流，相應的，其溫度系數也較大。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，而與熱加速度計器件結構無(wú)關(guān)。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(wú)多大差異。所需要采取的全部措施，就是找到一個(gè)溫度補償系數，用來(lái)在大規模生產(chǎn)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(gè)單元都進(jìn)行標定，這一獨特的特性使熱加速度計有極高的性?xún)r(jià)比。
用MEMSIC開(kāi)發(fā)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(chǎng)通過(guò)標準、成熟的CMOS工藝制作出來(lái),為了形成空腔，采用了一種專(zhuān)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(jìn)的處理電路，以提供如下的功能：

只需對布線(xiàn)圖作稍許改動(dòng)，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(shù)，體現了更經(jīng)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(jīng)濟?！?