单片集成的弯曲悬臂梁式三轴热对流加速度传感器研究

三轴加速度传感器是汽车电子和消费类电子产品市场发展的一个重要方向，有着巨大的市场份额，如游戏和娱乐系列消费类电子产品中都应用了加速度传感器作为动作操控和接收装置。三轴加速度传感器也应用于汽车安全和导航系统中，对GPS卫星信号实现定位，配合陀螺仪或电子罗盘等元件一起可创建方位推算系统，与GPS系统实现互补性应用。此外，三轴加速度传感器还广泛应用于微型卫星、工业自动控制、机器人系统、军工产品等诸多领域。本项目为了解决热对流加速度传感器在三维空间测试的难题，突破了二维平面集成的限制，提出了将检测垂直方向加速度的敏感单元布置在受应力弯曲的复合薄膜悬臂梁上，开展了单片集成的应力弯曲悬臂梁式三轴热对流加速度传感器设计理论与CMOS兼容制造中所涉及的基础问题研究，在理论和实验方面着重研究了多层复合半导体薄膜悬臂梁多物理场（温度场和应力场）作用下的形变机制；构建了密封腔内多场下复合薄膜悬臂梁微机械加工释放后形变的力学模型。此外提出了控制应力和优化工艺的方案，创新设计了两层硅片结构单片集成的传感器芯片。研究了三轴微机械结构制造工艺与CMOS工艺的兼容性，获得了CMOS-MEMS 工艺制造三轴微机械结构的方法。进一步研究了制造过程中的复杂材料系统相互作用机制，并建立和验证提出的芯片制造工艺模型，评价了工艺流程的实用性，形成了原创的应力弯曲悬臂梁式单片集成的三轴热对流加速度传感器设计与制造的核心技术。此技术与CMOS工艺相兼容，可以将信号调节电路，微处理器等集成在一起，而且可以将其他测试功能用同样的工艺集成在一起，使得芯片多功能化，更符合目前测试系统集成化，小型化和低成本化的发展要求。所研发的三轴加速度传感器X轴和y轴加速度计的灵敏度基本上很接近，有着很好的线性度。X轴和y轴方向上的加速度灵敏度拟合后分别为0.62 μV/g/mW 和0.61μV/g/mW。在X轴和y轴方向上有很好的动态响应特性，响应范围在200 Hz以上。Z轴的灵敏度为0.16μV/g/mW，低于x轴和y轴方向。研究成果对于单片集成的热对流加速度传感器技术进一步发展有重要意义。 2100433B

为解决热对流加速度传感器在三维空间测试的难题，突破二维平面集成的限制，提出将检测垂直方向加速度的敏感单元布置在受应力弯曲的复合薄膜悬臂梁上，开展单片集成的应力弯曲悬臂梁式三轴热对流加速度传感器设计理论与CMOS兼容制造中所涉及的基础问题研究，在理论和实验方面着重研究多层复合薄膜悬臂梁在多物理场作用下形变机制，构建密封腔内多场下复合薄膜悬臂梁微机械加工释放后形变的力学模型，提出控制应力和优化工艺的方案，创新设计两层硅片结构单片集成的传感器芯片。研究三轴微机械结构制造工艺与CMOS工艺的兼容性，获得CMOS-MEMS工艺制造三轴微机械结构的方法。进一步研究制造过程中的复杂材料系统相互作用机制，并建立和验证提出的芯片制造工艺模型，评价工艺流程的实用性，形成原创的应力弯曲悬臂梁式单片集成的三轴热对流加速度传感器设计与制造的核心技术，研究成果对于单片集成的热对流加速度传感器技术进一步发展有重要意义。

目前的三轴加速度传感器大多采用压阻式、压电式和电容式工作原理，产生的加速度正比于电阻、电压和电容的变化，通过相应的放大和滤波电路进行采集。这个和普通的加速度传感器是基于同样的原理，所以在一定的技术上三个单轴就可以变成一个三轴。对于多数的传感器应用来看，两轴的加速度传感器已经能满足多数应用。但是有些方面的应用还是集中在三轴加速度传感器中例如在数采设备，贵重资产监测，碰撞监测，测量建筑物振动,风机,风力涡轮机和其他敏感的大型结构振动。

在加速度传感器中有一种是三轴加速度传感器，同样的它是基于加速度的基本原理去实现工作的，加速度是个空间矢量，一方面，要准确了解物体的运动状态，必须测得其三个坐标轴上的分量；另一方面，在预先不知道物体运动方向的场合下，只有应用三轴加速度传感器来检测加速度信号。由于三轴加速度传感器也是基于重力原理的，因此用三轴加速度传感器可以实现双轴正负90度或双轴0-360度的倾角，通过校正后期精度要高于双轴加速度传感器大于测量角度为60度的情况。现在无人机领域应用广泛。

三轴加速度传感器的好处就是在预先不知道物体运动方向的场合下，只有应用三维加速度传感器来检测加速度信号。三维加速度传感器具有体积小和重量轻特点，可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质。