摘 要

近一年来，人工智能、大数据、物联网等逐渐是成为了引领时代的关键词，对未来而言，社会的基础设施由传统的水电、煤气、公路、铁路等变为了数据。而数据的采集大部分是通过移动终端得到的，以智能手机为代表的产品，以从未有过的速度向前发展，并以及其迅猛的深度和广度介入到社会生活的方方面面。传统的信息采集（传感技术）再也无法在移动终端中实现，满足其质量轻、体积小、集成化、微型化、智能化的特点。微型加速度传感器作为信息采集的传感技术中的一个重要分支，引起了社会的广泛关注，近年来发展迅速。

本文在对各种微型加速度传感器原理结构及优缺点进行比较的基础上，选择了电容式微型加速度传感器作为研究对象。对其工作原理进行了理论分析，提出了汉堡包式“四梁-质量块-电极阵列”结构的电容式微型加速度传感器。并阐述了其在微机电系统中的相关制造工艺，提出了工艺方案流程。与传统的传感器结构相比，该传感器线性比和灵敏度更高，能测量物体各个方位的加速度，更加实用。

关键词：微机电系统、电容式、微型加速度传感器、电极阵列

Abstract

In the past year, artificial intelligence, big data, and the Internet of Things have gradually become keywords for leading the era. For the future, the infrastructure of society has changed from traditional hydropower, gas, roads, and railways to data. The collection of data is mostly obtained through mobile terminals. Products represented by smart phones are developed at a speed never before experienced, and their rapid depth and breadth involve all aspects of social life. Traditional information acquisition (sensor technology) can no longer be implemented in mobile terminals, meeting the characteristics of light weight, small size, integration, miniaturization, and intelligence. As an important branch of sensing technology for information acquisition, miniature acceleration sensors have attracted widespread attention from the society and have developed rapidly in recent years.

In this paper, on the basis of comparing the principle structure and advantages and disadvantages of various miniature acceleration sensors, a capacitive miniature acceleration sensor is selected as the research object. Based on the theoretical analysis of its working principle, a hamburger-type "four-beam-mass-electrode array" capacitive miniature accelerometer is proposed. The related manufacturing process in the MEMS was elaborated and the process flow was proposed. Compared with the traditional sensor structure, this sensor has higher linearity and sensitivity, and can measure the acceleration of each position of the object, which is more practical.

Key Words: Microelectromechanical systems, capacitive, miniature accelerometers, electrode arrays.

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 4

1.1 微型加速度传感器的研究概况 4

1.2微型加速度传感器的特点 4

1.3国内外研究现状 5

1.4几种典型的微型加速度传感器的比较 5

1.4 论文的主要研究内容 6

第2章 工作原理及其结构设计 8

2.1加速度传感器工作原理 8

2.2弹簧阻尼质量系统 8

2.3电容式传感器的工作原理 9

2.4电容式传感器的结构设计 12

2.5电容式传感器的运动状态分析 13

第3章 理论分析 15

3.1传感器的受力分析 15

3.1.1传感器微梁判断 15

3.1.2微梁的受力与变形分析 16

3.2极距变化型平板电容器原理分析 17

3.2.1差分式与单边式平板电容器对比分析 17

3.2.2 控制系统总体结构设计 20

第4章 传感器制造工艺 22

4.1 传统制造与精微制造对比分析 22

4.2微机电系统制造工艺 22

4.3 电容式微型加速度传感器加工过程 23

第5章 结论 27

参考文献 28

致 谢 29

第1章 绪 论

随着集成电路技术与数据处理技术的迅猛发展，移动终端，主要包括智能手机、平板电脑、车载电脑、智能穿戴设备等，其已经拥有及其强大的信息处理能力，移动终端正在从简单的通话工具变为一个综合信息处理平台、数据的采集工具和实现物联网的重要手段。这也给移动终端增加了更加宽广的发展空间，传感技术作为信息采集的主要手段，也对其提出了更高的要求，要满足体积小、质量轻、测量精度高、集成化与智能化等特点。而伴随着微机电系统制造工艺与半导体技术的发展，微型化与智能化的传感器迎来了高速发展的锲机。加速度传感器作为其中的重要组成部分，在移动终端设备中也是不可或缺的一大部分，近年来的发展备受关注。

1.1 微型加速度传感器的研究概况

微型加速度传感器建立在微机电系统制造工艺与微集成电路电子工艺的基础上，随着半导体技术的发展而发展，主要包括微加速度传感器、微型陀螺仪、惯性测量仪。现代的制造技术逐渐由传统的技术向精微制造方面转型，其加工工艺得以实现，不在只是理论。近年来从理论到技术设计、到工艺生产都形成了较为完整的产业体系，不仅存在于航空航天、军事、汽车领域，在以智能手机为代表的移动终端中得到了广泛的应用，发展更宽更广，渗透于生活的方方面面。与传统的非微型加速度相比，其集智能化、体积小、质量轻、精度高于一体，价格更低。对人工智能、物联网、大数据具有重大的战略意义，一直备受关注，是当前惯性技术的热门研究领域。

1.2微型加速度传感器的特点

电容式微型加速度传感器研究较早，70、80年代，因为工业集成与半导体技术的发展，及汽车、航空航天、军事领域的需要，为微型加速度传感器的问世迎来了锲机。自从其问世以来，就以体积小微小、质量轻、测量性能好、精度高备受欢迎，也受到了广泛的关注，一直到今天，其研究也一直是尖端技术领域，国内外都花费较大财力、人力、物力致力于其发展。

微型加速度传感器集智能化、微型化、精度高、处理能力强于一体，并且结构简单、体积小、质量轻。随着微机电系统制造工艺的发展，其制造成本变低、可大规模生产，能适用于移动终端，为移动终端的加速度测量领域带来了突破。但其接口电路较为复杂，具有非线性问题，不同原理及结构的传感器性能不同，难于满足所有条件，还有很大的提升空间。

1.3国内外研究现状

微加速度传感器面世后做为最重要的惯性仪表，是一种十分重要的力学敏感传感器，是继微压力传感器之后第二个进人市场的微机械传感器^[1]。

20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速计^[2]。在这之后的半个多世纪以来，由于受航空航天领域对惯性传感器测量元件的需要，其测量精度和使用性能及范围不断提高和完善。加速度传感器问世后与军事领域的高精度制导系统、海陆空运载体的自动驾驶技术联系紧密，这个时候的加速度传感器一直比较昂贵^[3]。随着微机电系统技术的发展，微加速度传感器的制造技术越来越成熟，这种状况才得以改变，微加速度传感器应用于更多的领域。电容式微型加速度传感器比较有代表性的产品是美国的AD公司，已形成ADXL系列产品^[3]。

我国从1992年开始致力于微加速度传感器的研究，并取得了一些阶段性成果，之后的发展更是突飞猛进。目前，中国的传感器产业已形成从技术研发、设计、生产到应用的完整产业体系，中低档产品基本满足市场需求。但从产品的行业结构看，老产品所占比例高，新产品明显不足，其中高新技术产品更少，数字化、智能化、集成化与微型化的产品严重缺乏^[2]。2013年，国内的加速度传感器主要应用于工业、汽车电子产品、通信与消费电子产品。近年来随着大数据、人工智能、物联网的发展，微型加速度传感器越来越多的应用于以智能手机为代表的移动设备终端上。

1.4几种典型的微型加速度传感器的比较

微型加速度传感器从发明到使用以来，其主流的传感器结构及工作原理主要有：压阻式传感器、电容式传感器、压电式传感器及隧道电流式传感器四种，但它们的测量范围及使用条件、性能指标存在一定的差异，难于同时满足灵敏度高、测量范围大、测量精度高、温度效应小、制造成本低、寿命长、体积小等使用要求。

表1.1不同原理与结构的加速度传感器比较

1.4 论文的主要研究内容

自移动互联网时代以来，移动终端，特别是智能手机及一些智能穿戴设备渗透于生活的每一个角落，不再是通讯工具，更是移动的智能电脑，万物互联的信息手机与处理工具。微型加速度传感器对人工智能、物联网的发展具有重要的战略意义。传感器作为信息采集大重要工具，是信息技术的重要组成部分。因此，近年来国内外都将传感器技术列为尖端技术而倍加重视，并投入大量人力、物力进行开发和研究。如何生产和设计出体积更小、功能更齐全、更智能化、价格更低的微型传感器就成为当前惯性技术、微机械技术领域的重要课题。

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