1、 保密级别： 内部公开1 Highly Integrated Nanotechnology速度传感器产业方向一、速度传感器 2二、测振仪 2第一节、TV300 便携测振仪信息 3第二节、基于高速无线传输的列车测振仪 .71.系统方案 .72.系统实现 .8第三节、列车测振仪试用情况 .10第四节、结 论 .11三、美国 ICSensors 加速度传感器 3022.12四、基于 MEMS 的硅微压阻式加速度传感器的设计 .15第一节、传感器结构及工作原理 .16第二节、压阻式硅微加速度传感器结构形式 .16第三节、压阻式硅微型加速度传感器加工工艺 .18五、SOI 微加速度传感器结构设计与工艺实
2、现 19第一节、SOI 微加速度传感器芯片设计 .19第二节、SOI 微加速度传感器加工工艺 .20第三节、结论 .25六、加速度传感器在汽车防盗系统中的应用 25第一节、加速度传感器 ADXL202 的工作机理 .25七、无线加速度传感器的 MEMS 芯片 ADXL202 应用设计与集成 291.测量原理 302.参数设计 30第二节、无线加速度传感器的集成 .311.硬件集成 312.程序设计 323.实验分析 32第三节、结论 .33八、安全气囊系统传感器 33第一节、安全气囊系统原理及结构分析 .341.工作原理 342.传感器分类 363.安全气囊组件 37第二节、安全气囊计算机 .
3、39保密级别： 内部公开2 Highly Integrated Nanotechnology一、速度传感器加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。美国 ICSensors 加速度传感器，3031，3022，3052，3035，1210，1220，1230，1240 等。适用于地震监测，低频应用，测试仪器，机械控制等。市场上占统治地位的加速度传感器是压电式、压阻式、电容式、谐振式等。压阻式加速度传感器具有加工工艺简单，测量
4、方法易行等优点。但是，温度效应严重，工作温度范围窄，并且灵敏度低，一般只有 1mg 左右，要继续提高灵敏度难度很大。压电式加速度计信噪比高，灵敏度高，结构简单，但是信号处理电路较复杂，存在零漂现象不可避免，并且回零慢，不适宜连续测试。微电容式加速度计具有结构简单、灵敏度高、动态特性好、抗过载能力大，易于集成，不易受温度影响，功耗低，但是，存在输出特性的非线性、寄生电容、分布电容对灵敏度的影响，以及信号处理电路复杂等问题。近些年，谐振式微机械加速度计越来越受到各国的重视，其数字化输出、高可靠性、高重复性等特点，不仅能大幅度降低微弱信号的检测难度，简化外围处理电路，而且具有优良的低频特性。二、测振
5、仪测振仪也叫测震表振动分析仪或者测震笔，是利用石英晶体和人工极化陶瓷（PZT）的压电效应设计而成。它广泛地被应用于机械制造、电力、冶车辆等领域。现在的测振仪一般都采用压电式的，结构形式大致有二种：压缩式；剪切式，测振仪原理是利用石英晶体和人工极化陶瓷（PZT）的压电效应设计而成。当石英晶体或人工极化陶瓷受到机械应力保密级别： 内部公开3 Highly Integrated Nanotechnology作用时，其表面就产生电荷，所形成的电荷密度的大小与所施加的机械应力的大小成严格的线性关系。同时，所受的机械应力在敏感质量一定的情况下与加速度值成正比。在一定的条件下，压电晶体受力后产生的电荷与所感
6、受的加速度值成正比。产生的电荷经过电荷放大器及其它运算处理后输出就是我们所需要的数据了 QdijF dijma 式中：Q-压电晶体输出的电荷， dij-压电晶体的二阶压电张量，m- 加速度的敏感质量，a- 所受的振动加速度值。测振仪压电加速度计承受单位振动加速度值输出电荷量的多少，称其电荷灵敏度，单位为 pC/ms-2 或pC/g（ 1g=9.8ms-2） 。测振仪压电加速度计实质上相当于一个电荷源和一只电容器，通过等效电路简化以后，则可换算出加速度计的电压灵敏度为Sv=SQ/CaSv-，加速度计的电压灵敏度， mV/ms-2SQ-加速度计的电荷灵敏度，pC/ms-2Ca-加速度计的电容量测振
7、仪压电式速度传感器，它是通过在压电式加速度传感器上加一个积分电路，通过将加速度信号积一次分，可以得到振动的速度值！第一节、TV300 便携测振仪信息下面是 TV300 便携式测振仪有关技术信息：测量范围1） 加速度：0.1 m/s2392m/s2（峰值）2） 速 度：0.01 cm/s80cm/s（有效值）3） 位 移：0.001 mm18.1mm（峰峰值）频率范围1） 加速度：10Hz 200Hz 10Hz500Hz 10Hz1kHz 10Hz10kHz2） 速 度：10Hz 1kHz3） 位 移：10Hz 500Hz允许误差：5%使用温度范围：040使用湿度范围：80保密级别： 内部公开4
8、 Highly Integrated Nanotechnology仪器外观组成：保密级别： 内部公开5 Highly Integrated Nanotechnology部件安装使用场合：被测量物表面钻下图的螺纹孔，不影响被测物运转性能。保密级别： 内部公开6 Highly Integrated Nanotechnology使用方法：在被测物表面攻 M5 深为 5mm 的螺孔，直接用螺柱将测振探头固定在被测物体上见图 4-1，是频响最好的使用方法。使用场合：磁性物体，表面平坦、粗糙度小于 Ra1.6，加速度20ms2。使用方法：将吸座下边的铁片和橡胶垫取下（保证有足够的吸力） ，磁性吸座用螺柱拧
9、在测振探头 TSV-01 上（见下图） ，然后再 9 将测振探头 TSV-01 与仪器相连；测量完毕将橡胶垫和铁片盖回（防止吸座漏磁） 。使用场合：测试频率小于 1KHz，振动能量不太小。配测振探头握把。使用方法：触针直接与测振探头连接（配合测振探头握把使用）见下图，测振探头不能在测量表面晃动或滑动。保密级别： 内部公开7 Highly Integrated Nanotechnology南京东大测振仪器厂创建于 1976 年，隶属东南大学火电机组振动国家工程研究中心，是一家专业从事测振仪及传感器科研、设计、生产、维修、销售的校办高科技企业。如果计划投产可对其进行实地参观。这类公司测振仪只能作为
10、公司众多产品中一条生产线。比如可涉及各种具体工业应用的传感器设施，比如皮带速度监测仪等。第二节、基于高速无线传输的列车测振仪列车的振动性能，包括舒适性、平稳性的检测与评价是新型列车研究、检验过程中的一项重要工作。随着我国铁路新型高速列车研究、研制及实验运行工作的大面积展开，十分需要一种方便、快捷的便携式列车振动测试仪。国内有多家单位开展了研制工作，例如，北京化工大学开发的基于 DSP 的便携式测振仪，河北工业大学研制的便携式车辆振动测试分析系统，东北农业大学研制的便携式测振仪等。这些专用仪器对常规速度列车的振动检测是比较有效的，信号控制与数据采集也比较方便。但这些设计多采用有线传输方式，对于高
11、速列车，检测人员在密闭的车箱内，而振动检测包括车体下方的转向架、轴箱多处测点，车下到车上的电缆布线就成了很大的问题。而且，对已经投入运营的高速列车，检测布线因为会严重影响车体的气密性，所以几乎是不可能的，即便可以也是非常不便的。针对高速列车振动性能检测的特点及要求，有必要将测振系统分为车内接收端+ 车下数据采集器两部分，二者之间采用无线连接，解决布线难的问题。1.系统方案 按照 GB 5599-85，列车测振仪主要测试参数是车体、转向架构架、轴箱的振动加速度以及车体和构架之间、构架和轴箱间的相对位移。 列车测振仪分为传感器、数据采集、数据发送、数据接收存储 4 部分，该系统一方面是一个相对独立
12、的系统，它可以可通过蓝牙模块实现与 PCPDA的无线连接，进行信号的采集、处理、显示提供了与 PC 之间进行有线数据通信的接口，在没有蓝牙设备的情况下，也可以把系统采集的原始数据送到微机进行二次处理，既实现硬件冗余性设计，又方便了系统调试。检测参数振动加速度位移轴箱转向架构架车体二系一系通道。保密级别： 内部公开8 Highly Integrated Nanotechnology此外系统还采用了 GPS 手持定位仪( 如图 1)，获取评价列车振动性能必需的运行速度信号。 为确保列车测振仪能正常稳定的工作以下问题必须解决： (1) 不能牺牲数据采集的精度来换取便携性； (2) 数采盒在车底只能采
13、用电池供电，因此系统功耗必须低； (3) 系统要能适应复杂的实地检测环境； (4) 为确保数据有效传输，无线传输必须有强抗干扰能力； (5) 无线传输速率要满足系统基本要求。 2.系统实现 系统硬件 在列车测振仪的数据采集过程中，不可避免地会有电气化铁路高压电力线、动车大功率脉冲电压和脉动电流对有用信号造成干扰。为了最大程度地抑制或消除混叠现象对动态测控系统数据采集的影响，需要设置抗混叠滤波器。 常用的模拟低通滤波器有 3 种： (1) 巴特沃思滤波器：通带平坦，相位特性最好；7 阶以上的截止特性和阻带衰减率满足本系统抗混叠滤波器要求。 (2) 切比雪夫滤波器：过渡带陡，但通带内有一定偏差，且
14、相位特性差。 (3) 滤波器：通带边缘过渡带最陡，但相位特性也最差。 故本系统选用 MAX7480 作为抗混叠滤波器。 MAX7480 是低功耗 8 阶巴特沃思低通滤波器，中心频率 1 Hz2 kHz ，单+5 V 供电，工作电流 2.9 mA。 根据通道数及精度、输入量程、转换速率、功耗、工作电压等指标我们选择了 ADS8381，18 位 500k 逐次逼近(SAR)模数转换器。其高动态范围改善了数据采集系统的效能。ADS8381 在前 8 位输人范围内的非线性小于 +-9.510-保密级别： 内部公开9 Highly Integrated Nanotechnology6，在频率为 500
15、kHz 时功耗为 100 mW。ADS8381 使用一个单独+5 V 电源，温度范围为：-40到+85。 TMS320F2812 DSP 芯片为数据采集的核心，主频 150 MHz，可解决数据流量大、实时性高等问题。它一方面控制多种信号的采集、缓存以及处理，另一方面负责系统与 PDA 或 PC 之间的通信。数据采集器硬件电路主要包括： DSP最小系统、外扩存储器的接口、SCI 串口通信。其系统原理框图如图 2 所示。 数据传输列车测振仪借助蓝牙通信相连进行无线连接。蓝牙通信具有连线简单，无须电平转换；可组网，多机共享；传输速率高接口广泛，和多数手持设备笔记本电脑连接方便等特点。蓝牙采用跳频机制
16、进行数据传送，故能极大提高数据传送的抗干扰性能。由表 1，系统需要的理论带宽为 163.84 kbps。本设备无线传输速率可达 400 kbps 以上，充分保证了系统性能。视距传输可达 100 m，完全能够胜任大部分测试场合。 系统软件 根据总体方案设计，振列车测振仪软件设计主要包括 DSP 数据采集发送程序设计、Notebook 人机界面程序设计两大部分。 DSP 采集加速度位移信号，通过蓝牙传送到 Notebook；Notebook 接收、存储所有传送的数据，同时绘制变化曲线。根据上述要求我们设计的列车测振仪实物如图 3 所示。 保密级别： 内部公开10 Highly Integrated
17、 NanotechnologyDSP 数据采集发送程序实现的功能如下： (1)通过 ADC 模块采集传感器数据； (2)将采集数据进行打包； (3)查询蓝牙模块状态和写数据。 列车测振仪优于其他测振系统的地方不仅在于高精度、高速率、小体积、轻重量，还在于它有基于 Notebook 良好的人机界面(如图 4)。进一步我们拟采用带蓝牙的 PDA智能手机作为接收平台。 Notebook 人机界面程序主要实现功能如下： (1) 接收、存储所有列车测振仪发送的数据； (2) 实时分析数据，计算、显示、保存平稳性和舒适性指标； (3) 动态绘制变化曲线。第三节、列车测振仪试用情况在我国某高速列车实验的振动
18、参数测试中，对列车测振仪进行了试用，保密级别： 内部公开11 Highly Integrated Nanotechnology通过了最高 280 kmh 动车组实际运行检验。图 5 为实验中测得的部分数据，我们可以看出，运行中车体的横垂向振动加速度均在 0.1 g 左右，而轴箱处则高达数 10 g。 在高速列车高速运行中，在受电气化铁路高压电力线(27.5 kV)、动车大功率脉动电压(2 000 V)和脉动电流干扰及经过桥梁隧道等复杂路况时均能保持良好的通信。经过了包括-20低温、雨雪、长时间工作等一系列恶劣条件下的试用，表现出良好的可操控性和稳定性。民品级 GPS 在 250 km 以上时速
19、时初始化困难，但一旦初始化成功，可充分实现其功能。第四节、结 论以 DSP、Notebook 为基础，综合运用蓝牙、GPS 等技术的列车测振仪对于高速列车的振动性检测具有可靠性。保密级别： 内部公开12 Highly Integrated Nanotechnology三、美国 ICSensors 加速度传感器 30223022 是一种压阻式硅加速度计，封装在具有树脂密封陶瓷盖的陶瓷基座上，采用表面贴封装。详细的校准数据提供了每个单元的测试数据及电阻补偿。这种加速度计由一个悬挂于硅架复合横梁上的微小硅芯片组成。硅芯片随支架的形变而改变其电阻值。上下表面的硅帽提供了超量程保护的能力，这种结构，使加
20、速度计具有体积小、抗冲击、耐用、内置阻尼和宽带的特点。每个传感器都具有连续性。特征 表面贴封装 0.5% 压力非线性 (标准 ) 1.0% 温度特性 (有补偿电阻 -标准) 直流响应 内置阻尼 内置超量程保护 低功耗 引脚或非引脚形式每个产品都包含以上所示的校准数据，校准数据提供了测量测试和校准数据，另外，测试数据也包括校准和温度补偿电阻值。信号调节电路：保密级别： 内部公开13 Highly Integrated Nanotechnology标准温度补偿和放大电路（每个传感器所指定的元件值）性能参数电源电压= 5.0 VDC室温= 25C （除非有另外说明）保密级别： 内部公开14 High
21、ly Integrated Nanotechnology尺寸图单位：英寸括号内为毫米单位保密级别： 内部公开15 Highly Integrated Nanotechnology四、基于 MEMS 的硅微压阻式加速度传感器的设计保密级别： 内部公开16 Highly Integrated Nanotechnology硅微加速度传感器是 MEMS 器件中的一个重要分支，具有十分广阔的应用前景。由于硅微加速度传感器具有响应快、灵敏度高、精度高、易于小型化等优点，而且该种传感器在强辐射作用下能正常工作，使其近年来发展迅速。与国外相比，国内对硅微传感器的研究起步较晚，所做的工作主要集中在硅微加速度传感
22、器的加工制造和理论研究。文中以双端固支式硅微加速度传感器为研究对象，借助 Aasys 软件对其性能进行仿真分析，从而选出性能优良的结构形式。第一节、传感器结构及工作原理压阻式加速度传感器是最早开发的硅微加速度传感器，弹性元件的结构形式一般均采用微机械加工技术形成硅梁外加质量块的形式，利用压阻效应来检测加速度。在双端固支梁结构中，质量块像活塞一样上下运动，该结构形式的传感器示意图，如图 1 所示。第二节、压阻式硅微加速度传感器结构形式压阻式加速度传感器的弹性元件一般采用硅梁外加质量块，质量块由悬臂梁支撑，并在悬臂梁上制作电阻，连接成测量电桥。在惯性力作用下质量块上下运动，悬臂梁上电阻的阻值随应力
23、的作用而发生变化，引起测量电桥输出电压变化，以此实现对加速度的测量。压阻式硅微加速度传感器的典型结构形式有很多种，已有悬臂梁、双臂梁、4 梁和双岛-5 梁等结构形式。弹性元件的结构形式及尺寸决定传感器的灵敏度、频响、量程等。质量块能够在较小的加速度作用下，使得悬臂梁上的应力较大，提高传感器的输出灵敏度。在大加速度下，质量块的作用可能会使悬臂梁上的应力超过屈服应力，变形过大，致使悬臂梁断裂。为此高 gn 值加速度拟采用质保密级别： 内部公开17 Highly Integrated Nanotechnology量块和梁厚相等的单臂梁和双臂梁的结构形式，如图 2 和图 3 所示。梁结构的有限元模型A
24、asys 是一个可在微机上使用的综合性有限元软件，是微机电系统设计中广泛使用的有限元分析软件。通过有限元的分析计算可以预测悬臂梁上引力分布、固有频率、可测最大加速度等，进而指导梁结构参数的选取。经过对梁结构有限元的计算分析选取单臂梁、双臂梁结构参数，如表 1 所示。由有限元计算结果，可以得到单臂梁和双臂梁上在 10 000gn 加速度作用下压阻元件所受的平均应力，如表 2 所示。保密级别： 内部公开18 Highly Integrated Nanotechnology第三节、压阻式硅微型加速度传感器加工工艺压阻式传感器的悬臂梁常采用 CVD 工艺在硅片上外延生长一层外延层刻蚀而成，文中试用键合
25、工艺制造压阻式加速度传感器。采用键合工艺优点是能得到高质量的外延层，且悬臂梁的厚度通过硅片减薄工艺易于得到保证，精细的硅片单面研磨，厚度误差可以控制在 05 m 以内；且不需要电化学自停止腐蚀，依靠 EPW 腐蚀液对 SiO2 的腐蚀速度极慢，使得腐蚀过程停止在SiO2 层上，从而保证了硅片减薄后的厚度即为弹性梁的厚度。制作的传感器芯片尺寸 3 mm5 mm，封装在陶瓷管壳中。选 n 型硅片，晶向(100) ，直径为50mm，厚度为 300m，电阻率为 512 cm 。传感器芯片加工工艺流程，如图 4 所示。加速度传感器性能测试与结果分析高 gn 值硅微型加速度计的灵敏度很低，在小加速度下几乎
26、没有信号输出，只有进行冲击试验，才能检验其性能。为此，常温下冲击试验在马希特击锤上进行。将标准传感器和被标定传感器同时固定在马希特击锤的锤头上，分别对单臂梁和双臂梁结构的加速度传感器样品在不同的齿数下进行冲击试验。过载试保密级别： 内部公开19 Highly Integrated Nanotechnology验可达到 12 000 gn 而不失效，加速度传感器冲击测试范围到 2 500 gn。通过对被测试加速度传感器输出电压与加速度之间关系的分析，其基本属于线性关系，采用一元线性回归模型对被测试传感器数据进行直线拟合，其结果，如图 5 所示。对于悬臂梁结构的硅微型加速度传感器，在其它结构尺寸相
27、同的情况下，梁的厚度对加速度传感器的灵敏度影响最大，基本上是反比的关系。这是由于在同样的载荷下，梁厚与应力大小成反比，而应力大小直接影响灵敏度，应力越大灵敏度越高。由于加工出芯片梁的厚度比设计值偏差较大，故其测试灵敏度比设计值小，如表 3 所示。在质量块尺寸一定的情况下，梁的长度与灵敏度成正比，梁的宽度与灵敏度成反比。在梁的尺寸一定情况下，质量块的质量与灵敏度成正比。五、SOI 微加速度传感器结构设计与工艺实现第一节、SOI 微加速度传感器芯片设计敏感元件选择：为实现抗过载和降低横向灵敏度的目的，采用对称梁结构，同时为解决这类结构在大挠度的情况下，输出结果会产生的非线性加速度挠保密级别： 内部
28、公开20 Highly Integrated Nanotechnology曲特性，最终选择旋转式多悬臂梁结构如图 1 所示。这是因为在大挠度情况下，质量块将有一个绕 z 轴的微小转动，缓解了梁上的应力。传感元件设计：通过有限元分析软件 ANSYS 仿真知道，靠近悬臂梁根部的应力值最大，所以敏感单元通过在每根悬臂梁根部扩散一个 P 型压阻的方式获得，有利于提高传感器输出的灵敏度。四个相同阻值的压阻构成惠斯登电桥，输入惯性力后，梁产生变形，惠斯登电桥产生电压输出，惯性力与输出电压是线性关系。为获得较大的压阻系数，压阻扩散方向为110晶向，压阻植入位置及引线连接如图 2 所示。保密级别： 内部公开2
29、1 Highly Integrated Nanotechnology第二节、SOI 微加速度传感器加工工艺S01 微加速度传感器采用三层结构。中间层为弹性单元，设计时考虑到抗冲击的需要，梁与质量块厚度应一致，这不但减小了该层在加工时的难度，同时由于质量块的厚度减薄，减小了整体的质量，降低了结构刚度，提高了结构本身的固有频率，该层采用 n 型(100)硅片。体硅刻蚀技术通常分为湿法和干法刻蚀两种，其中干法刻蚀使用的主要技术有反应离子刻蚀(RIE)和 ICP 刻蚀技术，优点是控制精度高，大面积刻蚀均匀性好，污染少，利用 ICP 刻蚀技术对 SOl 衬底进行体加工，可以得到垂直度和光洁度都很好的表面
30、。本文采用自补偿法解决灵敏度温漂。灵敏度与压阻系数成比例关系，压阻系数是温度的函数，它随温度的变化是产生热灵敏度漂移的主要原因。当忽略电阻形变的影响时，电阻的变化率与压阻系数成正比关系。而电阻的压阻系数与电阻条的参杂浓度有关，因此，合理利用压阻系数，就要合理选用扩散浓度，表面杂质浓度越高，压阻系数越低；表面浓度越低，压阻系数越高。表面杂质浓度越低，温度系数越大；表面杂质浓度越高，温度系数越小。P 压阻系数 l“44 与温度的关系如图 3 所示。可见，在实际常用的杂质浓度范围内，它们总是随温度的升高而减小，换言之，具有负的压阻系数温度系数。保密级别： 内部公开22 Highly Integrat
31、ed Nanotechnology一般情况下 P 型压阻具有正的温度系数，即由于载流子迁移率的减小，在温度升高时阻值会增大，这样就存在一个掺杂浓度点，使压阻系数的温度系数(负)，与压住的压阻的温度系数(正) 引起的阻值变化在一定温度范围内互相抵消，根据文献3 4的描述，这个掺杂浓度点为 51019/cm3。SOI 基底及传感器芯片制作工艺如图 4 所示，具体流程是：a离子注入：首先对 n 型(100)硅片进行表面抛光处理，为了防止“通道效应”的产生，可以在硅片表面生长一层Si02 屏蔽氧化层，再在 650 oC 下高能氧离子注入，可在 0.1um0.2 um 硅层下得到 0.3um0.4um
32、的 Si02 薄膜，1 350 oC 在氩气中做退火处理可解除离子注入带来的残余应力，从而消除上层单晶硅高能氧离子注入带来的非晶化损伤，并保持单晶硅层；b外延单晶硅层：LPCVD 工艺在上表面外延适合压阻厚度的单晶硅层；c 硼离子注入：整个上表面进行硼离子注入至压阻要求浓度，得到需要的 P 型压阻； d一次光刻：利用光刻技术光刻出压阻位置；e反刻压阻：等离子干法刻蚀出压阻，除去表面其余的掺杂硅；f二次光刻：光刻出引线孔及引线，并在欧姆接触区进行重掺杂；g溅射：由于金属铝作为电极时，在高温下会与硅和二氧化硅发生反应，影响其问的电性能及稳定性，因此采用溅射一层 Pt5Si2-Ti-Pt-Au 多层
33、合金化金属层作为电接触；h三次光刻：利用反刻保密级别： 内部公开23 Highly Integrated Nanotechnology技术反刻出引线及压焊块；i键合引线：键合引线构成需要惠斯登电桥，并进行清洗除胶；jICP 二次刻蚀：释放悬臂梁及可动质量块结构，具体工艺在下面介绍；k沉积：通过 LPCVD 技术在刻蚀后的上表面上外延一层 Si02 隔离层；再在顶层沉积 Si，N 。保护层，以平衡结构内应力。最后经过抛光、划片，获得需要的传感器芯片。利用 ICP 刻蚀释放悬臂梁结构的工艺流程是：a一次光刻：光刻要与光刻压阻时采用相同的光刻参数(形状、位置等)，使 cr 掩膜光刻到 SOI 基底上
34、后的掩膜图像与前者对齐，保证压阻在悬臂梁上的位置不发生偏离；bICP 刻蚀：利用 ICP 刻蚀释放悬臂梁结构。腐蚀气体为 SF6，腐蚀气体中加入适量CH4， CHF3 或者 C4 H8 可以提高腐蚀速率和选择比，加入适量 0，可以形成钝化层保护侧壁。最后释放的弹行单元结构如图 5 所示。保密级别： 内部公开24 Highly Integrated Nanotechnology上下层为保护单元，两层设有凹槽，保证质量块的上下运动范围，在凹槽内设有限位装置，使传感器不会在受到大的冲击时质量块产生太大的位移而损坏。由于凹槽的深度(1.5um)在腐蚀中不易控制，考虑采用 S01 材料，利用 Si02在
35、化学腐蚀工艺中的自停止性质，可以精确控制凹槽深度，下层的工艺如图 6所示。下层 SOl 基底的制作方法如下 (上下层为对称结构，工艺基本相同，制作方法不再赘述) ：a 离子注入：同样采取氧离子注入，获 Si02 隔离层，同时Si02 层的存在也可充当保护敏感元件工作的隔热层；b外延单品硅层：再用LPCVD 技术在上层硅片上沉淀一定厚度的单晶硅层作为加工层；C光刻：在SOI 基底上光刻凹槽图样；d各向异性自停止刻蚀凹槽：将光刻后的硅片进行各向异性腐蚀，进行到 Si02 层上表面时，腐蚀自停止，得到需要的凹槽；eLPCVD 法生长抗冲击限位块：最后在凹槽内沉淀一个抗冲击限位块。加工成型的三个单元表
36、面抛光后通过硅的熔融键合技术结合在一起，传感器整体结构图如图 7 所示。保密级别： 内部公开25 Highly Integrated Nanotechnology第三节、结论SOI 技术的应用大大拓展了压阻式微加速度传感器工作温度范围，并且使一些难以控制的工艺参数得到较好的控制，按照此工艺加工出的传感器具有耐高温、抗冲击、灵敏度高等特点。采用合适的封装工艺后，它可广泛应用于武器制导、汽车工业等领域。六、加速度传感器在汽车防盗系统中的应用ADXL202 是 AD 公司设计生产采用 MEMS 工艺制作的低价格、低功耗、单芯片集成双轴加速度传感器，35.25V 单电源供电，工作电流小于 6mA，可保
37、密级别： 内部公开26 Highly Integrated Nanotechnology以测量 O5kHz 、2g 范围内动态或静态加速度，60Hz 时分辨率为 2mg，可以数字、模拟信号形式输出，体积仅为 5mm5mm2mm；可以对车体微小振动和整车的倾斜角度同时进行监测。将其应用于汽车防盗系统不但扩大了系统的监测范围，而且简化了系统，提高了防盗系统报警的可靠性。因此，选定其作为汽车防盗系统的传感器件。第一节、加速度传感器 ADXL202 的工作机理利用 ADXL202 进行加速度测量的基本原理：ADXL202 的模块结构如图 l所示，它是在单一芯片上集成两个相互独立、测量方向相互垂直的敏感
38、元的测量模块，是由多晶硅微加工表面工艺制成的电容式加速度传感器；由硅片表面的弹性结构支撑起的质量块下面贴附电容的一个极板，电容的另一极扳固定。当加速度引起质量块的相对位置变化时，电容值也发生变化；两个敏感元的信号处理电路将各自的电容变化转换成幅值与加速度成正比的方波信号，经工作周期调制(DCM)后，就能将模拟信号转换为数字信号，通过引脚 XOUTYOUT进行输出。另外，ADXL202 还可以通过 XFILT、YFILT 引脚输出模拟信号。ADXL202 引脚功能简介：ADXL202 的封装形式为 LCC-8，其封装和引脚的示意图如图 2 所示。保密级别： 内部公开27 Highly Integ
39、rated Nanotechnology引脚 ST 用于芯片自测，VDD 上电后，ST 在静电力的作用下，输出的工作循环脉宽改变 10左右，相当于作用 800mg 加速度的输出信号，测试这个引脚就可以用于判断芯片是否正常工作；引脚 T2 需外接 RSET 电阻，在05ms 10ms 范围内设置工作循环周期 T2；引脚 COM 作为公共接地端；引脚 XOUT、YOUT 用于输出数字信号；引脚 XFILT、YFILT 外加滤波电容，用以设置检测信号的带宽范围，VDD 引脚作为芯片供电电源输入端。加速度值的确定：加速度传感器可以分别利用 XOUT、YOUT 引脚和XFILT、YFILT 引脚进行数字
40、信号或模拟信号输出。在采用数字信号进行测量时，只要利用微处理器的计数器/定时器端口分别采集信号的工作周期脉宽 T1 和工作周期的时间长度 T2，利用公式(1)就可以得出被测加速度的值。计算公式为：信号示意图如图 3 所示。在采用模拟信号进行测量时，可以直接采用从 XFILT、YFILT 引脚输出的模拟信号，也可以将 XOUT、YOUT 引脚输出的数字信号进行 RC 滤波，重新恢复成模拟信号。第一种方法输出的信号带宽比较宽，但需外加电压跟随器才保密级别： 内部公开28 Highly Integrated Nanotechnology能带负载；第二种方法可以对输出的模拟信号进行放大，但频率响应特性
41、较低。采用何种输出方式应根据具体的使用条件来确定。第二节、采用 ADXL202 的汽车防盗系统设计方案由于窃贼盗窃汽车时会引起车俸的振动或倾斜现象，而 ADXL202 能够测量 05kHz、 2g 范围内动态或静态加速度。动态加速度的测量可以用于振动检测；而利用静态的重力加速度作为输入矢量，就可以确定物体的空间方向。整体方案设计：ADXL202 采用 3V 直流电源供电，为降低电源对传感器的干扰，在引脚 VDD 和公共接地端 COM 之间需连接 O1F 的去耦电容。由于芯片与微处理器共用一个供电电源，在电源与 VDD 间需增加一个 100 的电阻，以减小数字信号对传感器输出信号的干扰。T2 引
42、脚外接 625k 的 RSET 电阻，将输出的数字信号周期确定为 5ms，即频率为 200Hz。从 XOUT、YOUT 引脚输出的数字信号直接送到微处理器的计数器，定时器端口，以便进行重力加速度的测量，以得出车体倾角的变化。从XEILT、YFILT 引脚输出的模拟信号经电压跟随器提高负载能力后，送入微处理器的 A/D 端口，以对车体微小振动进行测量。汽车防盗中，车体倾斜角度的测量要求其信号的噪声必须很小，这就要限制信号带宽。而对于振动的测量，则需要 10200Hz 的较宽信号范围。首先，将 XFILY、YFILT 引脚的滤波电容 CX、CY 设定为 0027F，这样输出的数字、模拟信号的带宽全
43、都限制在 200Hz 以下，再将 ADXl202 输出的带宽为200Hz 的数字和模拟信号分别经过低通滤波和高通滤波，就可以获得倾斜、振动监测所需带宽的信号。将 ADXL202 同时作为振动测量和倾角测量传感器的方案原理图如图 4 所示。保密级别： 内部公开29 Highly Integrated Nanotechnology倾斜角度的测量：对于拖车或整车搬运的盗窃方式，如果车体的角度相对于初始状态改变 5，就可判定有盗车情况发生。倾斜角度测量值通过 XOUT、YOUT 端口输出的数字信号得到。由于经XFILT、YFILT 端口的电容低通滤波，信号带宽为 200Hz则根据 ADXl202 的噪
44、声计算公式为： 其中，Noise 为噪声的几何平均值，BW 为信号带宽，f(Hz)为频率。则其噪声平均水平为： 如果 ADXl202 的敏感轴从水平位置变化了 5，就相当于 ADXL202 输出的数字信号改变约 87mg，这样 144mg 的噪声水平就显得过高了。因为期望的噪声水平最多不能超过信号的十分之一，即 87mg 。将 XOUT、YOUT 端口输出的 200Hz 数字信号进行 16 次采样，并将采得的信号取平均值，就可以实现数字低通滤波，将信号的带宽降为 125Hz。此时的噪声水平为：保密级别： 内部公开30 Highly Integrated Nanotechnology这种噪声水平
45、完全可以满足系统要求。ADXl202 的温度变化系数为 2mg，在监测的 05倾角范围内，每改变 1，输出约改变 17mg。由于室外昼夜温差很可能达到 85，温度漂移很可能造成虚假报警，必须对其限制。可以利用软件微分器进行信号处理，即如果 ADXL202 的输出变化率大于 87mg/min，就认为有警情；如果小于这个数值，就可以认为是由于温度变化引起的温度漂移，不予报警。汽车微小振动的测量：通过对车体微小振动的测量，可以实现对破坏车体行为的监测。若在一个较短时间段内，振动的能量超过设定的阈值，就可以判定有破坏汽车的情况发生。利用加速度传感器 ADXL202 组成的防盗监测装置，不但拥有传统汽车
46、防盗传感器件的灵敏性，而且扩大了汽车防盗的监测范围(可以对拖车和整车搬运的盗窃方式进行预警)，而且还简化了系统的电路结构，提高了系统可靠性。ADXL202 完全可以取代磁效应传感器等传统敏感元件。成为汽车防盗监测信号的可靠敏感器件。另外，ADXL202 在计算机外围设备、信息产品、运动监测等方面也有着广泛的应用。七、无线加速度传感器的 MEMS 芯片 ADXL202 应用设计与集成第一节、MEMS 芯片 ADXL202 测量原理与参数设计ADXI202 是一种低成本、低功耗、功能完善的双轴加速度传感器 l 。它以多晶硅为表面的微机电传感器和信号控制环路进行开环测量，测量结果直接以模拟信号形式或者将模拟信号转换为脉宽占空比的数字信号输出。ADX1202 可测量正负加速度，其最大测量范围为2 gADXL202 可测量静态加速度，也可用作斜度测量。1.测量原理ADX1202 利用先进的 MEMS 技术构成了基于单块集成电路的双轴加速度测量系统。传感器采用在硅片上经表面微加工的多晶硅结构，用多晶硅的弹性元件支撑它并提供平衡加速度所需的阻力。结构偏转是通过由独立的固定极板和附
