传感器及其应用（第三版）MEMS传感器.pptVIP

2.MEMS电容式传声器

MEMS电容式传声器因具有高灵敏度、高信噪比、低温度系数和长期稳定性而成为研究的重点。

图12.16所示是一个带有J—FET前置放大器的电容式传声器原理图。带孔的背极板(定极板)和薄膜(动极板)组成敏感元件。在声场声压的作用下，膜片发生形变使其与背极板之间的距离发生变化，从而电容值发生变化，经前置放大器放大，产生一个与声压信号成正比的输出电信号。在背极板上开大量声孔是为了降低空气流阻抗，提高高频灵敏度。图12.16带有J—FET放大器硅麦克风剖面图 12.5MEMS陀螺仪

12.5.1科里奥利力

由物理学知，在如图12.17所示的以匀角速度ω转动的圆盘上，质点m以速度v沿半径相对于圆盘作匀速运动，会受到科里奥利力f的作用。科里奥利力f的方向由如图12.17所示的右手螺旋法则确定，其大小为

f=2mvω (12.1)

如果v反向，则f也反向。如果m沿半径作往复周期振动，则m也会受到周期力的作用。由上式可知，如果振幅一定，振动的频率越高，线速度越大，则科里奥利力f也越大。图12.17确定科里奥利力的右手螺旋法则12.5.2敏感原理

敏感原理如图12.18所示。质量块m在激励极板静电力的作用下，沿半径做简谐振动，则质量块受科里奥利力左右做简谐振动。

我们知道，在平行板电容器两极板加上电压V，则一侧极板带+Q，另一侧极板带－Q，根据库仑定律，两极板将产生引力F，其大小为图12.4表面微加工技术流程LIGA技术和准LIGA技术。

LIGA一词来源于德语Lithographie、Galvanoformung和Abformung三个词语的缩写，表示深层光刻、电镀、模铸三种技术的有机结合。LIGA技术借鉴了平面IC工艺中的光刻手段，但是它对材料加工的深宽比远大于标准IC生产中的平面工艺和薄膜的亚微米光刻技术，并且加工的厚度也远大于平面工艺的典型值2μm。同时，它还可以实现对非硅材料的三维微细加工，用材也更为广泛。用LIGA技术可制成为有自由振动及转动或具有其他动作功能的微结构。

LIGA技术包括X射线深层光刻、电铸成型和塑铸成型等三个工艺过程。其典型工艺流程如图12.5所示。图12.5典型LIGA工艺流程LIGA工艺有以下主要特点:

(1)它的产品可具有很大的结构强度，因而坚固耐用，实用性强；

(2)LIGA产品可以用多种材料制备，例如：金属、陶瓷、聚合物等；

(3)可以直接生产复合结构(包括运动部件)，并同时具有电路制作能力，便于制成机电一体化的产品；

(4)可以获得亚微米精度的微结构；

(5)便于批量生产(在基底片上可一次生产上千个部件)和大规模复制，因而成本低，价格便宜。LIGA技术在制作很厚的微机械结构方面有其独特的优点，是常规的微电子工艺所无法替代的。它的出现使原来难以实现的微机械结构能够制作出来。

LIGA技术需要同步辐射X射线光源，加工时间比较长,工艺过程复杂，价格昂贵，并且制造带有曲面的微结构较困难，因此又出现了准LIGA技术。诸如，硅准LIGA技术，用深层刻蚀工艺代替同步辐射X射线深层光刻；激光准LIGA技术，用激光取代X射线进行光刻；用紫外光光刻的准LIGA技术。准LIGA技术的分辨率不如LIGA技术高但也能达到微米级，而且用准LIGA技术形成三维复杂结构更为方便。键合技术相当于传统机械加工中的焊接、粘接或紧固的作用，其特点是能牢固地粘合两种材料。键合目的是使两种金属、金属与非金属、两种非金属等接触材料之间形成紧密的结合，从而实现引线连接、多芯片装配、立体结构等。键合技术主要有引线键合技术和硅片键合技术。

引线键合技术是通过热压、钎焊等方法将芯片中各金属化端子与封装基板相应引脚焊盘之间的键合连接。分热压键合、超声键合和热超声键合。热压键合的原理是，利用微电弧使Φ25～Φ50μm的金丝端头熔化成球状，通过送丝压头将球状端头压焊在芯片电极面的引线端子上，形成键合点。超声键合的原理是，对铝丝施加超声波，超声波能量被铝吸收，使基板上蒸镀的铝膜表面上形成的氧化膜破坏，露出清洁的金属表面，便于键合。热超声键合的原理是，超声振动破碎氧化膜，使纯净的金属表面相互接触，接头区的温升以及高频振动，使金属晶格上原子处于受激活状态，发生相互扩散，实现金属键合。

硅片键合技术是指通过化学和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其它材料紧密地结合起来的方法。常见的硅片键合技术包括金硅共熔键合、硅-玻璃静电键合、硅-硅直接键合以及玻璃焊料烧结等。金硅共熔键合可以实现硅片之间的键合，常用于微电子器件的封装中。金硅共熔中的硅-硅键合