安全气囊-《MEMS Accelerometer》-《芯苑》

从2010年iphone问世以来,手机就有了新的名词叫做Smart Phone,过去都叫feature phone(功能机)。而现在之所以叫做Smart phone,就是因为有了这些职能感知芯片能感测压力、速度、海拔、心跳等能够实现人机互动功能。早起1990年代的MEMS感测器都是用在汽车电子比如经典的应用就是气囊(Airbag)、还有气缸压力、ABS、TPMS、车身稳定等系统,直到iphone问世,这些职能感测器件(Sensor)用于消费类电子才带动了整个MEMS行业的大发展,甚至从原来的Smart phone延伸到未来的物联网(IoT)。据iSuppli统计,2010年MEMS消费类市场增长27%大到$1.6Billion,而到2014年会达到$3.7Billion,预计到2020年会到Trillion级别,这就是为什么大家挤破脑袋都要往里挤(Emerging Market)。

今天给大家带来的是MEMS加速度计(Accelerometer),这个东西是用来测加速度的变化的,比如碰撞或者物体坠落等情况能够及时启动自救措施?但关键问题是它如何感知碰撞或坠落?(Crash Sensor)

毫不夸张的说,MEMS Accelerometer应该是MEMS技术里面的商业化最成功的MEMS技术了,他也是一种惯性感测系统(包括Accelerometer和Gyroscope两种),他主要的原理是通过感应模块来量测加速度变化并将其转换成电信号输出。它测试的是单位质量的重力变化,也就是我们将的重力。它最基本的原理就是经典的牛顿第二定律(惯性定律:F=ma),在工艺上它需要制造一个质量块(proof mass)并且四周有小的手臂(Beam),这样的结构还需要悬浮(suspend)在Silicon上面,当然四个角还是要通过锚(Anchor)和弹簧(Spring)固定,这样当有加速度加在器件上,则质量块与手臂会一起移动,而这个手臂与固定的手臂形成叉指状(Comb)结构,由于移动导致叉指间距变化而间接导致平板电容发生变化,所以它与前面的Pressure sensor最大的差别是Pressure sensor需要做膜层(Mambrane),而Acclerometer最大的挑战是悬臂梁工艺(Cantilever)。下面我们就来具体讨论:

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1、Accelerometer的工作原理

第一个硅加速度计由斯坦福大学的Lynn Royceland和James Angell教授在1977~1989年研发的,它采用单晶硅悬臂梁和检测质量块(Proof mass),但他的敏感器件是掺杂的压敏电阻。后来到1990年代率先由ADI公司开发出给予多晶硅表面微机械加速度计,用于车载碰撞感应Airbag气囊(ADXL)。早在90年代以前,主要的商用Acclerometer还都是压敏电阻式(piezoresistive),后来被逐渐淘汰主要是因为它用的Bulk-Micromachined(体硅)工艺价格比较高,而且它的Sensitivity不够高,所以后来才发展出表面硅工艺(Surface-Micromachined)的电容式(Capacitive)加速度计。

对于电容式accelerometer来说,主要的结构有感测质量块(Proof mass或者Inertial mass)通过弹簧(Spring)连接到锚(Anchor)固定在Si衬底上,这个模块在结构上只有锚(Anchor)是和Si接触的,其他大面积都是悬空在Si上的,当有外力到来时,则惯性质量块会发生移动,导致与固定Poly finger之间的平板电容发生变化,来感知外力。所以简单一点讲它就是根据探测电容的变化(ΔC)来换算出外力的变化(ΔF),它不是加速度的测试,而是外力的测试。

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当然上面只是讲了一个方向上的力,当然力是三维的,所以在X轴、Y轴和Z轴上都需要感测,所以业界主要有单轴(Single-axis)、双轴(Two-axis)、三轴(Three-axis)加速度计。

2轴实现起来比较简单,只要把单轴的横着摆一个竖着摆一个就可以实现了。当然也可以简单点一个inertial mass/proof mass在X轴和Y轴都做beam分别形成X方向和Y方向的Comb来感测即可。

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2轴好做,那三轴呢?你不可能把一个轴立起来吧。所以需要把proof mass的beam由finger变成垂直的平面与衬底悬空即可。

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2、Process如何实现的?

如果之前说的Pressure Sensor的制程难点在于制作密闭的多晶硅(Poly)膜层(Mambrane),那么在MEMS Accelerometer里面的难点就在于制作悬浮的多晶硅层(Cantilever),这个悬浮的多晶硅层需要实现三个功能:惯性质量块(Inertial Mass)、电容感应臂(Beam)、弹簧(Spring),而这三个悬浮的整体最终只能通过两个锚(Anchor)与衬底固定,而左右或上下受力摆动完全是靠弹簧支撑的,所以这个悬浮多晶硅层需要满足一定的质量,还要满足弹性系数和谐振频率(弹簧)。

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好吧,先来讲讲这个悬浮层怎么实现的?

在Surface-Micromachining制程里面有两个部分,一个就是“多晶硅层”,所有的Mambrane以及Beam都是要用这个东西做。另外一个就是“牺牲氧化层”,因为不管是Mambrane还是Cantilever都需要把底下掏空,所以必须先在底下垫一层牺牲氧化层,等上面Poly Film成型之后,再通过蚀刻的方式吃掉底下的牺牲氧化层实现Mambrane或Cantilever结构。但是不管它如何悬空或者空心结构,它始终需要一个支点与衬底制程,比如锚(Anchor)。

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再回到我们的Accelerometer结构里,Spring和Beam结构因为比较窄应该可以通过HF的侧向蚀刻吃进去就行,但是Proof mass比较宽侧向蚀刻钻不进去怎么办?简单,只要在中间打几个孔就可以了啊,我只要保证Total质量达标即可。

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3、Process Factors:主要判定标准应该是Sensitivity和频率(Resonation),而Proof mass和Beam应该主要影响Sensitivity,而弹簧(Spring)主要影响谐振频率。

1) Beam:主要分长度和宽度,实验数据表明Accelerometer的Sensitivity与Beam的宽度的三次方(Wb3)成反比而与长度的三次方(Lb3)成正比。

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2) Proof mass: 这个主要取决于最终的质量,而质量取决于尺寸和厚度,但是厚度会影响弹簧性能,所以只能从他自己的结构去研究,实验证明其Sensitivity与自身尺寸成线性关系,这个比较容易理解。

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3) 弹簧(Sping):一种情况是把弹簧宽长比做小,也就是宽度越宽或者长度越短,这样一定使得摆幅变小,而摆幅变小则频率越高,但是摆幅越小则意味着电容的变化量越小,所以Sensitivity就降低了,除非你的ASIC电路很牛。(频率和Sensitivity的折衷)。第二种情况是设计弹簧的结构,比如我们生活中机械弹簧可以多绕几圈,而在MEMS结构里面可以设计多几个转折点实现弹簧缓冲结构(Multi-turned folder-beam)。弹簧的弹性系数公式Kx=1/N*E*H*(W/L)3,其中N为弹簧的转折数,E为杨氏模量(Young's Module),H是弹簧poly的厚度,W是弹簧的宽度,L是弹簧的长度。

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4、电路部分:

和Capacitive Pressure Sensor一样,都是要感知电容的变化,所以理论上他们的电路应该是一样的,这里做一下补充说明。结构依然是放大器先放大电容变化,然后通过Sigma-Delta的ADC将电容变化量的Analog信号转换成Digital最后输出。

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5、主要技术规范:

1)输出类型:模拟还是数字?模拟当然就是根据外力的加速度大小输出不同电压,所模拟输出一个变化的电压,而数字就是固定的0和1而已,但是数字输出变化的是频率,属于脉冲宽度调制(PWM: pulse-width modulation)型。

2) 多少轴:单轴还是双轴还是三轴,比较普遍是双轴,也有三轴但是比较贵了。

3) 输出范围:你探测的外力范围是多少?+/-1.5g,还是+/-5g?(每个"g"是地球的万有引力)。一般的坠落sensor只要+/-1.5g就足够了。

4) 敏感度(Sensitivity):这个就是感测端多大的外力加速度能够被输出端输出?单位还是“g”。

5) 带宽(Bandwidth):就是每秒可以感测多少次,单位是Hz。一般的低端应用50Hz就够了。

6) 还有就是工作温度和封装类型了和功耗等通用的标准了。。。。

6、与陀螺仪(Gyroscope)的差异

因为Accelerometer在广义上属于Inertial Sensor的一种,但是Interial Sensor还包含Gyroscope(陀螺仪),所以很多人自然就会问Gyroscope和Accelerometer到底差在哪里?

加速度计主要测试直线运动,所以他主要被用来测加速度、震动、撞击以及偏转等。而陀螺仪主要靠测量角速度来感知转动,它不是直线运动,所以也叫Angular Accelerometer。比较多的Gyro有三轴、六轴和九轴陀螺仪,它主要用在无人驾驶飞机用来探测机身机翼的倾斜的,或者用于汽车的ESP系统防止转弯过快而侧翻。结构其实是用一个转动的Mass做内框,固定一个外框,外框和内框之间的beam在转动的时候感知电容变化。这里只是简单介绍,后面再单独说吧。

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6、主要半导体厂商:主要就是ST、ADI、MEMSIC以及Bosch和Freescle还有Invensense等大的IDM厂了。具体参阅:http://www.sensorsportal.com/HTML/SENSORS/Accelerometers_Manuf.htm