00/35e5b9cf-e9e9-434c-824b-a8523caf9eca
硕士学位论文
（工程硕士）
微小型一体加速度传感器的设计
MINIATURE INTEGRATED
ACCELERATION SENSOR DESIGN
哈尔滨工业大学
2013 年 3 月
国内图书分类号： TP212.1
学校代码：10213
国际图书分类号： 531.113
密级：公开
工程硕士学位论文
微小型一体加速度传感器的设计
硕 士 研 究 生 ： 刘晓飞
师 ： 田日才
申 请 学 位 ： 工程硕士
学 科 ： 电子与通信工程
位 ： 中国电子科技集团 49 研究所
期 ： 2013 年 3 月
授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学
Classified Index: TP212.1
U.D.C: 531.113
Dissertation for the Masteral Degree in Engineering
MINIATURE INTEGRATED
ACCELERATION SENSOR DESIGN
Candidate： Liu Xiaofei
Supervisor： Prof.Tian Ri cai
Academic Degree Applied for： Master of Engineering
Speciality： Electronic and Communication
Engineering
Affiliation： China Electronics Technology
Group Corporation 49 Research
Date of Defence： March, 2013
Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology
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加速度传感器在现今社会应用极为广泛，可以说无时不用，无处不用，大
到星体、飞机、舰船、坦克等装备系统，小到可应用在手柄振动和摇晃、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高层建筑结构动态
特性和安全保卫振动侦察上。
本文在对加速度传感器的线性、动态频率响应等特性进行分析的基础上，
研究并设计制造了一种新型结构一体化加速度传感器，介绍了结构方面的设计、
电路方面的设计并对实验数据进行了分析，提供了从电路方面进行温度补偿的
方法，确定一体化加速度速传感器的工艺参数，还有基于 MEMS 加工技术的压
阻传感器的工艺方法，给出了关键工艺过程和控制措施。该传感器具有有高增
益、低噪声、温度稳定性高等特点。本文对研制的新型结构 MEMS 加速度传感
器进行了测试,测试的加速度范围为（-20~+60）g，通过对传感器的研究测试，
该传感器完全可以替代相比较而言体积过大的传感器，本采用可靠性分析方法
对微小型一体化加速度传感器进行了分析。
关键词：加速度；微电子机械系统（MEMS）；传感器
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The acceleration sensor is widely used in nowadays society.We can say no
without.No need not to star, aircraft, ships, tanks and other equipment systemSmall
to be used in the control, handle vibration and shaking, instrumentation, automotive
brake actuation detection, seismic detection, alarm system, toys, structure,
environment monitoring, vibration measurement, geological exploration, railway,
bridge, dam vibration testing and analysis of dynamic characteristics of tall building
structure vibration reconnaissance and security guard.
In this paper, the linear acceleration sensor, dynamic frequency response
characteristics on the basis of the analysis, research and design and manufacture of
a new structure of integrated acceleration sensor.Describes the structure design,
circuit design and the experimental data were analyzed.Provided from the circuit for
temperature compensation method.Determine integration acceleration speed sensor
based on MEMS technology parameters, and the processing technology of
piezoresistive sensor technology, introduces the key technological process and the
control measures.The sensor has a high gain, low noise, high temperature
stability.This paper developed a new type of structure MEMS acceleration sensor is
tested, the test acceleration range (-20~+60) through the sensor research and
testing, the sensor can completely replace the comparative the
using reliability analysis method for micro integrated acceleration sensor are
Keywords: accelerated speed, microelectronics mechanical system (MEMS) ,
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要 ...................................................................................................................... I
ABSTRACT ........................................................................................................... II
第 1章 绪 论 ......................................................................................................... 1
1.1 研究背景及研制目的和意义 ........................................................................ 1
1.2 MEMS 在传感器领域方面的应用 ................................................................ 1
1.3 微型加速度传感器发展概况 ........................................................................ 2
1.3.1 国内情况 ................................................................................................. 2
1.3.2 国外情况： ............................................................................................ 3
1.4 本论文主要研究内容及研究方案 ................................................................. 4
第 2章 压阻式加速度传感器的原理 .................................................................... 6
2.1 引言 .............................................................................................................. 6
2.2 惯性弹性梁设计 ........................................................................................... 6
弹性梁固有频率 .................................................................................. 6
2.2.2 弹性梁的灵敏度 .................................................................................... 7
2.2.3 弹性梁的截面形状 ................................................................................ 8
2.3 压阻效应 ..................................................................................................... 11
2.4 测量电桥 ..................................................................................................... 12
2.5 本章小结 ..................................................................................................... 13
第 3章 微小型一体加速度传感器的设计 ........................................................... 14
3.1 引言 ............................................................................................................ 14
3.2 传感器结构设计 ......................................................................................... 14
3.3 电路设计 ..................................................................................................... 14
3.3.1 调节电路的设计 ................................................................................... 15
3.3.2 温度补偿方法 ....................................................................................... 15
3.3.3 频响特性的保证 ................................................................................... 16
3.4 可靠性设计 ................................................................................................. 17
3.4.1 可靠性设计措施 .................................................................................. 17
3.4.2 故障分析、纠正措施 .......................................................................... 19
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3.5 本章小结 ..................................................................................................... 20
第 4章 微小型一体加速度传感器制作工艺 ....................................................... 21
4.1 引言 ............................................................................................................ 21
4.2 工艺设计 ..................................................................................................... 21
4.2.1 版图设计 .............................................................................................. 22
4.2.3 加速度计的制作 .................................................................................. 24
4.3 工艺研究技术关键 ..................................................................................... 26
应变电阻的设计 ................................................................................ 26
4.3.2 压阻系数与晶向和掺杂浓度的关系 ................................................... 28
4.3.3 利用等离子体刻蚀技术控制加速度计梁的厚度 ............................... 29
4.4 产品整体封装中的关键工艺和工艺难点分析 ........................................... 32
4.5 本章小结 ..................................................................................................... 32
第 5章 实验测试结果与主要性能分析 ............................................................... 33
5.1 引言 ............................................................................................................ 33
5.2 主要技术指标实测结果 .............................................................................. 33
5.3 传感器非线性误差的测试 .......................................................................... 33
5.3.1 离心机校准法 ....................................................................................... 34
5.3.2 正弦比较校准法 .................................................................................. 36
5.4 传感器数据处理方法 ................................................................................. 37
5.5 传感器非线性误差测试结果计算 .............................................................. 38
5.6 传感器可靠性增长试验 .............................................................................. 38
5.7 本章小结 ..................................................................................................... 39
论 ................................................................................................................... 40
参考文献 ............................................................................................................... 41
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 ..................................... 44
谢 ................................................................................................................... 45
个人简历 ............................................................................................................... 46
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第 1章 绪 论
1.1研究背景及研制目的和意义
加速度传感器在现今社会应用极为广泛，可以说无时不用，无处不用，大
到星体、飞机、舰船、坦克等装备系统，小到可应用在手柄振动和摇晃、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、高层建筑结构动
态特性和安全保卫振动侦察上。
本文研制的微小型一体加速度传感器，是为了顺应现今时代的需要，它满
足了国防重点型号配套任务的急需，也可广泛应用于其它军用及工业领域，使
我国的传感器技术在规范化、小型化方面又向前迈进了一步。
1.2 MEMS在传感器领域方面的应用
传感器在现代社会信息化进程中越来越凸显出其重要的角色地位，作为信
息获取的前端，传感器是信息技术的三大支柱之一。现阶段国内外都将传感器
技术列为重点研究方向而投入了大量的人力和物力资源进行开发研究[1]。传感
器行业发展具有：商品化、产业化前景广阔、微型化速度加快、功能日渐完善、
创新性更加突出等特点。在传感器小型化、集成化、智能化的发展进程中 MEMS
（微电子机械系统）技术为其构建了更坚实的技术基础。超小型传感器正受到
科研人员的热烈追捧，对其提供支撑的 MEMS 技术也在不断地创新发展，每隔
18 到 24 个月，新的技术就会被引入进来。MEMS 技术的发展有三个主要趋势：
提高 MEMS 结构的性能；提高 MEMS 结构的可靠性；降低 MEMS 结构芯片的
成本。MEMS 结构使得器件越来越小，在芯片上的窄间距越来越小，大大提高
了芯片的运行速度。上个世纪末芯片的关键尺寸（CD）为 1.0μm，而现在关键
尺寸（CD）已经达到 0.10μm 以下[2]。随着器件的微型化，功耗相应减小。集
成电路芯片的平均功率在 2012 年已经达到了 2 微瓦（10-6W）以下。摩托罗拉
公司已经可以做到很高程度的集成化，不单单把压力传感器、温度传感器、电
压电流调制和 CMOS 电路集成在一个 SOI 模块上，而且还包含了 8 位 MCU 内
核（68H05）、8 位数模转换（D/A）器、10 位模/数转换（A/D）器，2K 字节
EPROM、128 字节 RAM，启动系统和用于数据通信电路接口，而且它可以通
过 MCU 软件对其输出特性进行校准和补偿，使其不但具有很好的温度性能，
而且还具有极高的精度和线性。美国的 AD 公司生产的加速度计，管芯尺寸为
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1.5 mm ×1.5 mm ，量程达±50 g ，灵敏度为 15mV/g 。随着科研工作者的深入
研究，在不久的将来 MEMS 技术必将在传感器领域有更多、更广的应用空间。
1.3微型加速度传感器发展概况
1.3.1国内情况
我国在多种微型传感器、微型执行器等方面研究力量是由京津地区、东北
地区、华东地区、西北地区、西南地区等几个的相对集中的地区组成的。包括
京津地区，如清华大学、北京大学、南开大学、中国电科电子 13 所、中科院电
子所等；东北地区，有中国电科 49 所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所、
沈阳仪器仪表工艺研究所、大连理工大学等；华东地区，有上海交大、中国科
学院上海微系统与信息技术研究所、复旦大学、中国科技大学、浙江大学等；
西北地区，如航天 771 所、西安交通大学、航空 618 所等；西南地区，如中国
电科 24 所、中国电科 44 所和中国电科 26 所等。这些区域化的研究群体，相互
协作，互补关系，进而为了中国 MEMS 的发展打下基石。
因为有了坚实的科研基础，我国近些年在微电子技术领域提高的非常快，
由各个研究集群各自拥有的微加工设备和微电子工艺设备组成了我国的
MEMS 加工技术的基础，购置了许多国内外先进的 MEMS 加工设备如 Karlsuss
双面光刻机、可用于硅／玻璃静电键合和硅／硅预键合的 Karlsuss 键合机、STS
深槽刻蚀机、压塑机等，还有 RIE 刻蚀机、PECVD、光刻机、溅射台、扩散炉
等配套用的一些设备，已经具备了国际先进的 MEMS 加工能力。近十年来，我
国无论是在生物传感器还是微型传感器或其它微型设备上的发展都是突飞猛进
的，并取得了一定的科研成果[3]。现阶段我国具备的技术和设备已经形成了把
MEMS 设计研发、加工制作和后续的实验测试结合为一体的一个 MEMS 设计
成产体系，为今后更好更快的发展铺平了道路。不过在欣喜之余，也不能忽视
因为我国因为设计 MEMS 领域比较晚，相对的基础还是有些薄弱，而且科研力
量分散、研制经费不足等原因导致我国的产品和国外的产品无论是在成本上还
是质量上都有一些不下偶的差距。 另外，国内在集成加速度传感器研究和产品
开发方面目前处于空白状况，特别是是对于电容式加速度传感器，没有集成化
将无法实现传感器的实用化，因此 ASIC 信号处理电路的研发具有重要意义。
尤其与国外相比我国的许多集成传感器研究人员对采用 MEMS 器件设计和模
拟的和传感器集成化的必要性认识不足。
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1.3.2 国外情况：
国外对微机械加速计的研究方法一般采用的是隧道式、压阻式、电容式、
压电式。自 20 世纪 70 年代末期以来，国外学者 Angell 与 Roylance 已经着手
利用氢氧化钾腐蚀技术来研究压阻式加速度计，其主要构造是通过质量块和单
悬臂梁组合而成[4]。从此以后，不同构造的压阻式加速度计如雨后春笋般涌现
出来，有的加速度计添加了自动检测技术，还有的整合了 CMOS（互补金属氧
化物半导体）电路，从测量的角度上，慢慢地由单轴测量往多轴测量方向变化。
目前已有几家公司生产商业化微机械压阻式加速度计，年产量总计约 200 万支，
这些商业化大批量微机械压阻式加速度计一般都采用分立处理电路，这可能是
由以下几方面的原因造成的：1）电路集成的费用较高；2）生产能力的限制；3）
市场驱动不足，另外由于用户的要求常常都有些差异，因而总需要适当的专用
处理电路，导致集成制造的优势不能充分发挥。现在商业化的压阻式加速度计
主要用于军用点火装置、航空航天中的飞行导航、作战时撞弹药和点火控制、
飞行动力测量、弹药运输振动监控、安全系统位移检测、机器人过程控制、汽
车力学研究、汽车停车控制、汽车刹车控制、汽车碰撞测试、前侧撞气囊系统、
冲撞检测仪器、工业震动仪器、机床监控、地球物理检监测、运动控制、计算
机外围设备、医院病人的活动监控，其测量范围从±1g 到±1000g，精度从 0.1%
到 2%。IC-Sensor 公司的 OEM 系列压阻式加速度传感器，通常过载为量程的
20 倍，最高可达 2000g[5]。
电容式加速度计的研制最早可见于 Cole（1991），其基于微机械再生产技
术下，利用分立元件作为检测电路的方式，并通过使用陶瓷实现封装。目前，
电容式加速度计已经实现了市场化销售，在产业生产工艺中，浅硼扩散的再生
产技术已经达到了可以制作航海级别加速度计的水平。而另一种常用的灵敏度
加工技术则是硅外延生长方法。产品系列序号为 ADXL-50 的电容式加速度计，
此加速度计由美国模拟器件（AD）公司所研发的产品，是当今全球上加速度计
设计最成功的产品，此加速度计设计量程误差只有±50g，并且基于 TO-100IC
国际标准下，通过使用 IC 封装技术完成，通常抗过载为量程的 10 倍[6]。内部
功能构造主要是有两部分，其中电路部分由双击 MOS 信号控制，另一部分由
微机械多晶硅构成，质量块位移不超过 10nm。该种传感器针对汽车气囊设计，
并已获得大量应用。
相对于上述两种类型的加速度计，压电加速度在国外研究较少，主要采用
表面微机械工艺，ZnO 层敏感加速度变化，压电加速度计的缺点是由于电荷泄
漏和与温度相关的热电效应，一般没有有效的直流响应。样机达到的指标有：
在 g25± 满量程范围内线性度为 2%，灵敏为 1.5mV/g，稳定的频响为 3Hz~3kHz，
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尚没有商业化的微机械压电加速度计[7]。
隧道加速度计是一种高精度的微机械加速度计，其位移的灵敏度可达到亚
纳米级，其缺点是需要闭环控制电路和电压的长期漂移，对后一问题的研究是
一个热点，已经有重要突破，可能会在较短的时间内得到彻底解决。这种类型
的加速度计是对加工工艺和匹配电路技术的一种考验，同时作为一种高性能加
速度计，在某些特定的场合，必然会有一些重要的应用价值。
除此之外，对于微型加速度计设计的探讨方向，多轴单片集成加速度计的
研发就更加引人注目了，但尚未有商业化产品，样机的加工方法既有体微机械
工艺，也有表面微机械工艺，也用到了力平衡原理，样机的性能指标如下：z，
x 和 y 轴的灵敏度分别为 192、 23 和 23 mV/g；非线性分别为<1%、<1.5%和
即凹形梁的 y 方向抗弯能力比矩形截面增强了 k3 倍
2.3 压阻效应
压阻效应是一种通过在压阻加速度传感器中把弹性梁的应变这一非电量转
换为电参量是的效果[17]。固体材料的电阻率是通过受应力使其发生形变来改变
的，这种效应就是压阻效应，即
式中：k—应变 ε 引起电阻变化灵敏度系数。
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2.4 测量电桥
测量电桥结构如图 2-3。
图 2-3 测量电桥
电桥的输出为：
当弹性梁发生变形时，电桥的四个桥臂电阻均随之发生变化[18]。每个电阻
的增量为 ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，当 R1= R2= R3= R4，ΔRi＜＜R（i=1，2，3，
0 εεεε ?+?=
弹性梁的上电阻的具体分布见图 2-4。
图 2-4 应变电阻的扩散位置
在本桥路中，R1a 与 R1b 串联组成桥臂 R1，R2a 与 R2b 串联组成桥臂 R2，R3a
与 R3b 串 联 组 成 桥 臂 R3 ， R4a 与 R4b 串 联 组 成 桥 臂 R4 ， 当
R1a=R1b=R2a=R2b=R3a=R3b=R4a=R4b=R 时，R1= R2= R3= R4=2R。当每个电阻的增
量 ΔR1a=ΔR1b=ΔR1、ΔR2a=ΔR2b=ΔR2、ΔR3a=ΔR3b=ΔR3、ΔR4a=ΔR4b=ΔR4 时，输
出 V0 见式（2-26）。
当传感器出现加速度而产生的外力，作用在电桥上相互靠近的应变电阻，
根据力学原理可知，此电阻受到外力作用便会发生形状上的改变，且大小一致，
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作用方向相反[19]，所以能够得出：
在本结构中，选用（100）晶面，应变电阻沿[110]晶向扩散。
2.5 本章小结
压阻式加速度传感器是基于半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生
变化的原理进行工作的。通过对压阻式加速度芯体的内部结构的分析，介绍了
压阻芯片的工作原理和性能。
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第 3章 微小型一体加速度传感器的设计
现今加速度传感器已经慢慢的由原来的大体积单性能传感器慢慢地转化为
现今的小体积多性能传感器，由于现阶段产品的使用要求对加速度类传感器的
体积要求越来越小[20]。以前经常使用的一些封装过的元器件已经不能满足使用
了，现如今只能使用内部的芯片用金丝直接进行连接，只有这样才能保证在要
求的外壳体积内完成产品的性能设计[21]。
3.2 传感器结构设计
1-壳体；2-上盖；3-厚膜集成器件；4-敏感元件
图 3-1 传感器外形尺寸图
本论文研制的传感器的外形尺寸技术指标要求小于(20.3×17.8×5.5)mm，将
其设计为一体结构，分为四个组成部分，分别为：壳体、上盖、厚膜集成器件
和敏感元件。
3.3 电路设计
本课题研制过程中电路设计是最重要的。具体研制过程如下：
因为受到半导体材料本身的特性导致敏感元件元件的电压输出很小，最大
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只有几十毫伏，有些仅仅几毫伏，这样就会影响系统的准确测试；而且压阻式
加速度敏感元件自身的温度性能也不是很好，达不到理想的要求。所以在设计
调理电路的时候就得考虑很多东西，涉及增益调整、温度补偿、零位输出调整、
滤波、保护等，只有这样才能使得传感器的各项指标满足要求[22]。本课题的调
理电路的工作原理如图 3-2 所示：
敏感元件供电
敏感元件温度补偿
图 3-2 调理电路工作原理框图
3.3.1 调节电路的设计
传感器的零点输出和满量程输出以及产品的线性度是比较节本的性能指
标，所有在电路设计中是以这三个性能的设计为基础的，在电路设计中我们一
般是使用放大和补偿这两个方法进行设计；如果我们选择的放大器对温度的影
响较大就会因为电阻随温度变化所产生一个附加的温度误差，所以我们设计选
用的是差动归一化放大电路，它不但有输入阻抗高、温度漂移小、线性优良等
优良性能，而且具有良好的与电路元件的精密度无关的共模抑制比的特性；所
以特可以很好的满足我们设计需要的性能指标要求。
3.3.2 温度补偿方法
对传感器来说被测信号是一个动态信号，实际测试工作通常是在较短时间
内完成的[23]。因此，灵敏度温度漂移直接影响测量结果的幅值精度。尤其当传
感器灵敏度标定时的环境温度与使用温度差距较大时，这种温度漂移不能忽略。
压阻式传感器的灵敏度温漂，一般在未经补偿的情况下为 0.2%/℃左右.如
果不进行必要的补偿，当工作温度与标定温度差距较大时（如温度差 20℃）仅
此一项将引起 4%的误差。这是使用中不能允许的，因此需要对传感器的灵敏
度温度系数进行补偿。
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我们采用了恒流源供电的方法在灵敏度进行补偿，这样不但保证了传感器
灵敏度的稳定性而且还把传感器的输出进行了规范化和标准化 [24]。目前研究
中，对于传感器产生灵敏度温度漂移而做出补偿所采取的方法常见的有三种，
第一种是上文所提到的恒流源供电补偿法，第二种是利用串联的方法把二极管
串联到电路上的方法，第三种也是通过串联的方法把热敏电阻串联到电路上的
方法。可是，由于这三种方法在实现中存在客观因素的限制，所以并不能较易
得到理想的线性关系，因此导致温补的准确率偏低，还会出现成非线性关系的
温漂。因此，在实际应用中这类方法使用率不高。
然而，通过实验研究研发出了一种可变压电源，其对于处理传感器的温漂
情况，得到了理想的线性补偿，由于其性能稳定，构造简单，而且实验证明其
具有优越的温补效果，所以在实际中得以被应用。
上述可变压电源的实现原理是：传感器受到外部温度影响后，便出现温度
漂移现象，为保证电路内部电压恒定，可变压电源会根据温度变化带来的电压
差，从而补充对应差值的电压，以确保敏感度值传出时维持稳定[25]。温度补偿
电路见图 3-3。
R1、R2—调整零点温度补偿电阻；R3、R4—调整零点失调电阻
图 3-3 温度补偿电路
3.3.3 频响特性的保证
传感器的工作频率为（0～90）Hz。为保证（0～90）Hz 工作频率范围内
输出信号不失真、幅频特性平坦，采用幅频特性好的巴特沃斯低通滤波器，低
通滤波器[26]见图 3-4。
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图 3-4 低通滤波器
3.4 可靠性设计
传感器设计准则是在可靠性、安全性的前提下，满足设计技术指标要求。
设计和生产过程受控，遵守我所质保体系的各种要求，从而保证可靠性工作能
够得到系统地实施。
3.4.1 可靠性设计措施
设计上主要用以下措施保证传感器的可靠性:
a） 在方案设计上充分继承初样设计成果及其它经过试验验证的技术成果，
采用成熟技术，从而从设计上保证可靠性指标的放大；
b）对继承性较弱的设计，进行设计验证；
c）在电路设计上，采用最简单原则，使可靠性指标获得增长；
d）在设计上通过缩短引线长度、合理布局及合理布线设计印刷线路板，消
除不可靠因素；
e）在设计参数的选择上采用降额法，从而保证整个设计的设计余量，扩大
产品的实用性，即提高了可靠性；
f）在元器件及原材料的选型上，严格执行军品电子元器件的有关标准，并
按相关复验管理规定执行；
g）在工艺设计上充分考虑可靠性指标要求，最大限度地合理设置工序，保
证系统可靠性；
h）在工艺设置上增加过程保护内容，从而最大限度的提高可靠性指标；
i）增加检验内容，使不可靠因素尽早消除。
经过方案阶段的研制、生产和多次试验，产品的各项技术性能指标满足任
务书的要求。方案阶段转初样阶段在指标上没有重大变化，初样研制无遗留技
术问题，已全部同用户协商解决。产品进行了可靠性设计，产品所选元件均按
军用标准进行了筛选，最终提供的产品均通过了性能检验，具有使用安全性。
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它不会对现场其他设备带来干扰。产品可以进行有限次维修。该产品经
GJB150 及 GJB360 相关环境性能实验证明，能满足任务书中提出的环境要求。
本加速度计的信号处理电路使用电子元器件四大类（半导体表贴器件、半
导体分立器件、电阻、电容）、25 项、共 76 只。所选用的电子元器件按照 GJB/Z35
《元器件降额准则》的要求，采取了降额措施，有源器件选取了两项参数进行
了降额设计。根据传感器的使用条件和降额设计情况，依据 GJB/Z299C 和
MIL-HDBK-217 电子设备可靠性预计手册，采用应力分析法对传感器的电路部
分进行了可靠性预计。
根据 GJB/Z299C，电阻器的工作失效模型如下：
RQEbp πππλλ =
λp=0.008×26×0.1×1=0.
电路中使用电阻器共 10 只，单元内电阻器的失效率为：
λp1=0.×10=0.208×10-6
根据 GJB/Z299C，电容器的工作失效模型如下：
CVQEbp πππλλ =
容值为 103K/222J 的电容，λp=0..1×1.3=0.-6
容值为 104K 的电容，λp=0..1×1.6=0.-6
电路中使用 103K/222J 电容 1 只，104K 电容 1 只，电容器的失效率为：
λp2=0.-6×1+0.-6×1=0.-6
根据 GJB/Z299C，普通二极管的工作失效模型如下：
csArQEbp ππππππλλ 2=
λp=0.079×28×0.2×1×1.5×0.2×1.0=0.13272×10
电路中使用普通二极管 2 只，二极管的失效率为：
λp3=0.1×2=0.2
根据 MIL-HDBK-217 中 5.1.2，集成电路的工作失效模型如下：
( ) LEVTQp CC πππππλ 21 +=
对于仪表放大器 AD620A
λp=2.0×（0.04×27×1.47+0.0013×13）×1.0=3.209×10-6
对于运算放大器 LM124A
λp=2.0×（0.02×27×1.47+0.0048×13）×1.0=1.
对于基准电压源 AD580
λp=2.0×（0.01×27×1.47+0.0003×13）×1.0=0.
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电路中上述三种集成电路各使用 1 只、1 只、1 只，其失效率为：
λp4=3.209×10-6×3+1.+0.=12.141×10-6
经以上计算可知，总失效率 12.-6/h，1800s可靠度Rs=e
-λt=0.999992。
满足设计要求。
3.4.2 故障分析、纠正措施
当在生产及使用任何一个环节出现故障时，都应及时进行分析，并根据定
位准确、机理清楚、故障复现、措施得力、举一反三的原则进行故障归零。具
体内容参照《GJB841 故障报告分析和纠正措施系统》。
a）故障树分析（FTA）
图 3-5 故障树分析图
b）故障模式影响分析表（FMEA）
表 3-1 故障模式影响分析表
功能 故障模式
局部影响 最终影响
将冲击信号
转化为电压
芯体制作缺陷
金丝短路、开路
敏感元件失效
无输出信号
输出漂移超差
严格进行入所检
验和过程检验
供电极性保
供电没有二极
传感器失去供
电极性保护 严格进行过程检
开路 电源供电断路
传感器没有输
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功能 故障模式
局部影响 最终影响
提供电压基
输出电压纹波
基准电压纹波
输出信号干扰
选用可靠器件，
严格进行入所检
输出电压时间稳
基准电压随时
输出信号与原
标定结果有偏
不能提供电压
传感器输出为
低电位、高电
提供敏感元
件信号线性
不能进行信号
传感器输出为
高电位、低电
位或二者之间
选用可靠器件，
严格进行入所检
滤波电路失效
选用可靠器件
加强生产过程中
的工艺控制
电路组件间
的电器连接
断线 电连线失效
无输出信号
工艺保证、质量
3.5 本章小结
本章介绍了传感器结构设计、电路设计以及可靠性设计。传感器在电路设
计方面做了传感器性能补偿的设计，通过热敏电阻的调整来实现产品热灵敏度
漂移性能的稳定，通过一些工艺措施和设计保证，进行了产品可靠性的可靠性
分析，确保产品在出现问题的情况下不会对整个使用系统造成巨大的影响。
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第 4章 微小型一体加速度传感器制作工艺
微机电系统（MEMS）近年来得到了飞速的发展，MEMS 的早期研究主要
集中在制造一些分离的元器件上，而今 MEMS 与微电子技术不断融合，电子芯
片的集成度也越来越高[27]。CMOS/MEMS 产品的出现把人们的目光吸引到微结
构制造和 IC 集成的工艺问题上来，然而 CMOS 技术的应用，给社会的发展和
人们的生活呈现了崭新的一面，尤其在微信号处理、微观结构效应、接口设计、
网络协议模块、能量转换方面更是让人耳目一新。此外，MEMS 对于敏感元件
制作提供了有力支撑，使得更多的工艺设想成为可能。
4.2 工艺设计
MEMS 是指采用微机械加工技术能够实现不同功能的微型系统或微型元
件，其中部分功能有集成了微小传感器、集多线程处理、微型结构响应与执行、
信号接收与输出等[29]。MEMS 系统具有机电一体化的特性，并且尺寸小、热容
量低，易获得高灵敏度、高响应等特性。这种系统化、一体化和技术的尖端化
使 MEMS 成为一门跨学科跨领域的极具生命力的新兴学科并得到广泛的应用。
微加速度传感器就是 MEMS 技术的一个重要应用。之所以压阻式加速度计能够
被普遍应用在于其拥有了不少其它加速度计无法比拟的优点，例如敏感度和稳
定性高，开发费用少，处理过程不出现延迟，体积小等。在早期的实验研究中，
对于加速度传感器的研发，一般使用的是晶体硅器件的各向异性腐蚀工艺制作，
而此工艺的不足之处在于腐蚀速率大小改变容易受到了外界温度与溶液浓度的
直接影响，导致腐蚀时间不能自主调控，从而影响了梁厚度的设计，所以此工
艺准确度较差[30]。在后期的实验研究中，陆陆续续地出现不同的用于准确掌握
梁的厚度的方法，比如自动停止腐蚀工艺，可是其具有研发费用高、制作工序
繁多、并且存在着杂质污染的情况。因为该工艺中所选用材料的晶向会对腐蚀
速率产生影响，原因在于制作过程中晶体的侧壁会出现 54.7 度的倾斜角度，所
以对于器件往微小型方向发展造成了一定的障碍。可是，经过 MEMS 工艺的不
断发展，新的腐蚀工艺被人们研究出来，例如等离子光刻腐蚀工艺，由于其开
发成本低、拥有优越的掩模选择性及匀称性、腐蚀速率快等优点而被人们普遍
应用(如图 3-1 所示)。采用等离子体刻蚀技术制作硅微加速度计展现了较好的
前景。本项目研究中所使用的压阻式加速度计是基于国际标准的集成电路制作
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技术下，采用 MEMS 工艺技术研发而成的[31]。
图 4-1 （a）采用 KOH 进行各向异性腐蚀示意图
（b）采用等离子体刻蚀示意图
4.2.1 版图设计
加速度计主芯片正面、主芯片背面、上盖及下盖的版图设计如图 4-2、4-3、
4-4、4-5 所示。
图 4- 2 主芯片正面版图设计
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图 4-3 主芯片背面版图设计
图 4-4 上盖版图设计
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图 4- 5 下盖版图设计
4.2.3 加速度计的制作
压阻式加速度计是基于国际标准的集成电路制作技术下，采用 MEMS 工艺
技术研发而成的[32]。图 4-6 展示的是此研发中各个步骤的截面图。
压阻式加速度计所选用的材料是 N 型硅片，下文用 N-Si 表示，规格大小
为 4in，晶体方向为。制作的第一步，在 1140 摄氏度的温度条件下，经
过 120 分钟的处理，将硼离子注入到 N-Si 里面。我们在上文已经提及到，当受
到额外作用力影响下，发生形变最厉害的两个部分分别是质量块 m 的外缘部分
和悬梁的固定支点。所以，我们在制作的过程中，共需要 8 个电阻，分别加入
到 4 个质量块 m 的外缘部分和 4 个悬梁的固定支点（如图中 a 所示）。接下来，
我们在电阻的外缘部分制作引线孔[33]（如图中 b 所示）。下一步，溅射金属电
极，采取串联的方式将上述 8 个电阻以 2-2 型连接起来，由此形成单臂电桥（如
图中 c 所示）。到此为止，半导体的平面设计便大功告成。
在研发过程中，梁的设计是关乎加速度计整个研发过程中成功与否的重要
一环，而梁的厚度和尺寸大小能改变加速度计的敏感度值和准确度值[28]。在基
于等离子光刻腐蚀工艺下，能够影响梁的厚度的主要因素有工艺处理过程的时
间、各项工艺技术参变量和腐蚀过程的速率大小。而能够影响梁的尺寸大小的
因素主要有两个，一个是反面穿透性刻蚀，另一个则是正面定位刻蚀（如图中
d 所示）。
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Cr-Si合金、Au
图 4-6 制造步骤截面图
经过以上各个环节的制作，加速度计的主芯片便大功告成，图 4-7 所示的
为主芯片的电镜扫描照片。
图 4-7 主芯片的电镜扫描照
上盖与下盖作为主芯片的两个重要组成部分。它们通过等离子腐蚀工艺制
作而成，其作用主要是提升主芯片的抗负荷水平。它们与主芯片之间是通过硅
材料整合成一个整体，其间的空气为质量块的运动提供阻尼。组装图如图 4-8
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1-上盖，2-主芯片，3-下盖，4-基片，5-外引线导带，6-金丝。7-引出管脚
图 4-8 组装图
4.3 工艺研究技术关键
4.3.1 应变电阻的设计
在工艺研究的各个技术参数中，应变电阻能够直接作用于元件，并使其功
能发生改变。对于双端固支梁的结构设计，由材料力学理论及利用 ANSYS 进
行静态及模态分析可知：在梁的固支点和质量块边缘点应力、应变最大[34]。
所以，为增强传感器的敏感度值，我们在制作的过程中，共需要 8 个电阻，
分别加入到 4 个质量块 m 的外缘部分和 4 个悬梁的固定支点，使 8 个电阻 2-2
进行串联构成惠斯顿电桥电路（如图 4-9）。
图 4-9 电路原理图
电阻条的形状如图 4-10 所示。
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主桥路电阻 R 的结构及尺寸
当我们获得了电阻条的形状后，便可以使用下列公式计算出电阻值大小：
— 扩散掺杂层的方块电阻，kΩ
L — 扩散电阻的总长度，mm
— 扩散电阻的条宽度，mm
（1）扩散层的方块电阻选择
掺杂层内溶液浓度的大小能够直接影响着电桥中各个因素，例如能改变温
度的稳定性，使零点输出值发生变化，改变敏感度值等，为了使电桥达到最佳
状态，一般我们选择扩散浓度为
cm ，结深 m?3~5.2 。在杂质饱和
电离温度范围内，方块电阻 sR 和表面掺杂浓度、结深、迁移率等有关，即
— 少子迁移率
— 表面掺杂浓度；
— 扩散结深。
当我们把掺杂浓度设定为
cm 范围内对应的 sR 在 /200~10
sR 的选择原则是根据传感器的具体要求来确定上文公式中的不同参数之
间的关系，少子迁移率 p? 的值与温度成反比关系，当温度提升时， p? 的大小
反而降低，因此，由上述公式（4-2）可知，方块电阻 sR 会因为外界温度的提
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升，使其电阻值增加，也就是在硼扩散的过程产生的电阻值拥有了正温度系数。
能够改变方块电阻 sR 的值的另一个因素是表面浓度，当处于高杂质浓度的环境
下，少子迁移率 p? 受到温度的影响就越低，从而导致了 sR 的所带有的温度系
数值越小。此状态适用于利用恒压电源提供电压，可是，电桥中的带有的敏感
度值会偏低。与之相反，当处于低杂质浓度的环境下， sR 便具有了数值比较大
的温度系数，此时为了弥补传感器产生的温漂差值，就必须采取恒流源的方式
供电，基于低杂质浓度环境下的敏感度值会偏高。
（2）电阻条宽度W 的选择
我们会根据光刻与制版误差这两个因素来决定采用何种宽度的电阻条。当
我们采用较宽的电阻条时，不但可以降低了制版与光刻过程中产生的误差，还
可以提高电阻的额定最大功率。而且能够确保电阻值大小相同，降低了传感器
发生温度漂移和零位输出的可能性。当有电流经过电阻时，电阻会产生热量，
进而使环境温度发生变化，导致了传感器产生温漂现象。并且在单位面积范围
的电阻，其能够被消耗的最大功率是恒定的，所以采用较宽的电阻条无疑是间
接地提升了传感器的各项性能。电阻条的大小与其能够被消耗的最大功率之间
的关系是：
通常传感器桥路电流为 2～ 4mA。选择方块电阻 /200?=sR □时，
2/5 mWPs ??= ，用此公式计算得到电阻条的宽度为 10μ，其宽度大小完全可
以满足了此传感器的需要。
（3）电阻条长度 L的选择
在电桥设计中，我们一般选择电阻值较大的电阻，一方面能有效提升传感
器的输出效率，另一方面能够对电桥中的电压有所增加，再者使传感器内的饱
和电流得以降低，所以在实验中所采用的电阻阻值大小是 1.44KΩ，并通过式
（3-1）得到的电阻条长度为：
4.3.2 压阻系数与晶向和掺杂浓度的关系
我们在研究晶体的压阻系数的时候，例如最简单的硅晶体——单晶硅，当
我们想去用于描述晶体的压阻系数主要是通过其三个独立分量来完成，不过前
提条件是晶轴方向必须得和坐标轴取向相同。三个独立分量分别是剪切压阻系
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数 44π 、剪切压阻系数 12π 和纵向压阻系数 11π 。它们三者所代表的含义各不相同，
44π 代表的是与晶轴在同一方向的电阻受到了剪切应力的作用而产生改变的影
响。 12π 代表的是与晶轴方向相同的应力作用在不同晶轴方向上的电阻而产生
改变的影响。 11π 代表的是与晶轴在同一方向的电阻受到了同向应力的作用而产
生变化的影响[35]。假设一个晶向上存在的一电阻条，并且电阻条受到了两个外
力的作用，一个是纵向应力，记为 1σ ，一个是横向应力，记为 tσ ，两个外力
作用在电阻条上都分别产生相应的压阻系数，将其分别记为 1π 和 tπ ，由此我们
可以根据下列公式即可知道电阻相对变化的情况是：
R σπσπ +=? 11
其中： 1π ， tπ 与晶轴方向的压阻系数的关系为：
nmnlml ++???= πππππ
nnmmllt ++??+= πππππ
式中： 1l ， 1m ， 1n 表示纵向压阻系数 lπ 在晶轴坐标系中的方向余弦
2l ， 2m ， 2n 表示横向压阻系数 tπ 在晶轴坐标系中的方向余弦
决定横向压阻系数和纵向压阻系数的重要因素主要取决于设计材料的选
择，包括不同导电类别的材料，不同取向的电阻和不同晶向的材料。
单晶硅的晶面很多，但常用的主要只有三个：即（100）、（110）、（111）。
三个晶面上晶向及压阻系数
在（100）晶面上电阻条沿（110）晶向排布可以获得最大的压阻系数，而
（100）晶向上的压阻系数近似为零。
在（110）晶面上则是在（111）晶向上的压阻系数最大，（110）晶向上次
之，而（100）晶向上的压阻系数仍趋于零。
由理论推导可知，在（111）晶面晶向上的压阻系数均为常数，与晶向无关，
且数值上都小于（100）面上的（110）方向和（110）面上的（110）和（111）
晶向上的压阻系数。因此一般设计者不选用（111）晶面的硅片作衬底。
影响压阻系数的大小的因素除晶向外，扩散表面浓度是另一个影响因素。
当表面杂质浓度 Ns 增加时，压阻系数要变小。
4.3.3 利用等离子体刻蚀技术控制加速度计梁的厚度
高深宽比硅刻蚀工艺，就是从三个不同的角度同时对硅晶体进行加工处理，
这种工艺是前所未有的，它的优越性是传统工艺不能比拟的。作为一种新技术
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的出现，它给 MEMS 工艺技术的发展带来的崭新的一面[36]。现今高深宽比硅
刻蚀都是通过高密度反应离子刻蚀系统进行刻蚀的。 因为高密度反应离子刻蚀
系统具有自由基浓度相对较低中、离子密度较高、工作压力比较低的特点，所
以导致了刻蚀反应是以正离子为主，因此，我们在研发过程中通过利用容易形
成正离子的化学元素，例如氟基气体，便可以得到较高光刻腐蚀各向异性比。
电化学离子源的问题已经随着近些年出现的电感耦合离子源的发展从根本上得
到了解决了，反应离子刻蚀系统之所以能够出现高密度且匀称性高的离子源，
主要是受到了两个因素起作用，一个是感应电场，而另一个是电离高频磁场。
当这两个因素一起作用时，即便是产生的 φ45cm 离子源区，都可以达到利用的
需求。因此此工艺技术能够确确实实地被作为一种具有实际使用价值的刻蚀工
先进硅深槽刻蚀技术采用了 STS Multiplex ICP 高密度的离子体刻蚀系统。
一方面，此工艺实现过程中主要用到两种物质，一种是聚合物生成剂，其作用
是使侧壁钝化，而另一种是氟基气体，使用这两种物质最大的优点就是不会产
生污染，并且不会对整个系统产生腐蚀作用。此工艺中起决定性作用的过程是
聚合物发生沉淀和刻蚀过程并不一起进行，并且它们之间两个过程能够实现迅
速地互换。另一方面，要保证刻蚀工艺内的离子源一直保持着较高的密度，就
必须使得偏压电源与离子源电源达到同步的状态，而工艺中通过使用射频电源
相控技术来实现，只有这样，才能使此工艺技术的优势发挥得淋漓尽致[37]。
此工艺应用中，主要使用两种化学物质作为反应原料，第一种是 SF6，用
于刻蚀过程中起腐蚀作用，另一种是 C4F8，用于钝化过程中起聚合作用，两个
过程不停地轮流互换进行。在进行的刻蚀反应中，偏压电源与离子源电源必须
同一时间内运行，以确保反应环境的稳定性，在此反应体系中，SF6 会形成正
离子 F+，并对硅晶体发生各向异性腐蚀作用。例如，刻蚀时间为 9s 时刻蚀深
度为 0.6μm，钻蚀 0.15μm,在这一刻蚀区间内的各向异性比为 4:1。当一次刻蚀
反应结束后，偏压电源会跟随着停止工作，而离子源电源会一直保持着运作，
此时，系统开始注入 C4F8，并且在１秒钟后停止注入 SF6。此刻，钝化反应过
程开始，一方面，因为缺少了偏压电源的作用，硅片上没有压力作用，另一方
面，C4F8 转化成具有 CXFY 形态的自由基，由于缺少了偏压电源，它们通过自
由热运动不断地依附在硅片上并在表面和内部形成聚合物。聚合物形成时间是
7 秒钟，也是说钝化反应完成共需要 7 秒钟，此反应的第 1 秒仍然会存在部分
SF6，并且反应生成部分钻蚀，此举的目的在于即使存在着宽度很窄的深槽，也
能够确保得到较好的侧壁垂直度。钝化过程结束后紧接着的是下一个的刻蚀过
程，然而，此反应开始前的 0.5 秒钟，仍然会存在部分 C4F8，其目的在于即使
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存在着宽度很窄的深槽，也是为了能够确保得到较好的侧壁垂直度。这两个过
程不停的相互交换，从而形成了刻蚀速率为 2.0μm/min 的高深宽比的硅槽刻蚀。
通过上述反应可知，只要我们把刻蚀过程与聚合过程的反应时间控制得当，系
统内壁上依附的聚合物都会被刻蚀剂 F*给腐蚀掉。所以，当一次刻蚀过程和一
次聚合过程结束后，系统内部都不会存在聚合物，对于深槽存在大量聚合物的
历史难题便迎刃而解。这一研究的成果在很大程度上推动了 MEMS 技术的发
展，所以其有着举足轻重的作用，因为对已经完成了刻蚀的 MEMS 结构来说，
任何手段的清洗都可能造成结构的破坏。利用 RIE 技术，可以将硅片上 2μm 宽
加工到 50μm 深，且其侧壁保持垂直。
本产品的刻蚀过程是选用采用 A601E 深刻蚀系统完成的，它是由 Alcatel
公司设计生产的，此系统内一共具备了两种模式供选用，其中一种模式是室温
刻蚀，而另一种模式则是低温刻蚀。对于室温刻蚀工艺的完成，主要由两个化
学过程不断轮流替换发生而成，它们分别是刻蚀过程与钝化过程。刻蚀过程中
所发生的反应是 SF6 气体转变为离子，从而形成高浓度的等离子体源，进而使
硅晶体发生腐蚀作用；钝化过程所发生的反应是 C4F8 气体与硅片发生的化学
反应，从而形成了 CF 聚合物，并附在硅片上，其主要作用在于保护硅晶体结
构免受刻蚀反应影响。
反应方程如下：
Si + 4F → SiF4
+ + F + 2 e-
等离子体刻蚀具有很多优点：深宽比高;侧壁平滑；垂直度好。但也存在以
（1）等离子刻蚀具有深宽比高的特点，但深宽比不同，腐蚀速率是不同的，
深宽比高，腐蚀速率相对较低；
（2）刻蚀底面不能形成直角。
以上两点为我们的设计提供了设计思路及解决问题的方法。在研发过程中，
梁的设计是关乎加速度计整个研发过程中成功与否的重要一环，而梁的厚度和
尺寸大小能改变加速度计的敏感度值和准确度值。我们通过以下方法来控制梁
的尺寸和厚度：
（1）在设计上保证深槽内的具有相同大小的腐蚀速率；
（2）在基于等离子光刻腐蚀工艺下，能够影响梁的厚度的主要因素有工艺
处理过程的时间、各项工艺技术参变量和腐蚀过程的速率大小。
（3）能够影响梁的尺寸大小的因素主要有两个，一个是反面穿透性刻蚀，
另一个则是正面定位刻蚀，并通过控制两者的刻蚀速率大小，便可以克服等离
子体刻蚀技术本身的缺陷，达到准确控制梁的尺寸。
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我们利用等离子体刻蚀技术，通过采用正面定位腐蚀，反面穿透腐蚀的方
法，最后，通过调节腐蚀速率实现了精准控制梁的厚度。同时与法国 Alcatel
公司提供的深槽刻蚀结果相比，还存在以下问题：（1）腐蚀面不够平滑；（2）
腐蚀速率空中不准确。这是我们在后续的研制中需要解决的问题，使这一技术
在国内趋于成熟，实现实用化、产业化。
4.4 产品整体封装中的关键工艺和工艺难点分析
第一：管壳内部需粘三个基片，底部一个大基片，两侧壁各粘一个小基片，
对于侧壁上粘接的基片要求对管壳的平行度和垂直度很高。为此在粘接基片过
程中，基片必须压平，粘完后管壳放入烘箱中预烘，预烘后将基片相对管座底
面进行平行度检测，将基片调整到与底座平行为止。
第二，产品体积小，键合时采用金丝最长劈刀焊接时，换能器下面的模块
与管壳上臂有碰撞现象，影响正常焊接。为此，我们改变劈刀送丝角度，由 45
度送丝改为 90 度送丝，避免了碰撞现象。
第三，封盖时要求准确度很高，盖板不能偏出壳壁，因管壳体积小，在封
盖箱内操作带橡胶皮手套触感差，电极轮封盖时产生的冲击力所带来的偏差很
难控制。为此我们先将盖板和管座用细胶带条固定，用平行缝焊机点焊，再去
掉胶带条，进行正常的平行缝焊，解决了盖板与管座的对准问题。
4.5 本章小结
本章介绍了压阻加速度传感器芯体的主要制作工艺，从芯片的设计版图、
材料选取、制作的工艺流程，以及后续的应变电阻的设计、等离子体刻蚀技术
和硅-硅低温键合技术等相关加速度芯体制作工艺的具体技术。
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第 5章 实验测试结果与主要性能分析
微小型一体加速度传感器在研制过程中做了很多的实验，整理了完整详实
的实验记录。在实验过程中也发现了一些问题，并采取了有效的措施，研制过
程中发现的问题都已经解决。
5.2 主要技术指标实测结果
表 5-1 性能测试结果
项目（或）参数 技术条件规定值
202 090203
重量(g) ≤50 28.0 27.0 28.5
绝缘电阻(MΩ) ≥100(100VDC) 104 104 104
零点输出(V) 0.2±0.2 0.175 0.190 0.173
灵敏度（mV/g） 57.5mV/g±5.75mV/g； 59.6 59.8 59.7
横向灵敏度(%) ≤1.5 1.04 1.35 1.42
非线性 ≤ 1% 0.33% 0.25% 0.39%
零点漂移（%FS/h） ≤0.15 0.03 0.001 0.01
热零点漂移（%FS/℃） ≤0.2 0.02 0.01 0.01
热 灵 敏 度 漂 移
（%FS/℃）
≤0.2 0.08 0.12 0.10
5.3传感器非线性误差的测试
测试传感器的非线性误差有绝对法和相对法两种方法：绝对法有激光绝对
校准法、离心机校准法、重力场倾斜校准法、重力场低频回转校准法、冲击绝
对校准法；相对法有正弦比较校准法、冲击比较校准法[38]。根据本传感器的特
点，通常选择离心机校准法离心或正弦比较校准法测试传感器的非线性误差。
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表 5-2 环境试验结果
序号 试验项目 技术要求 样品编号 实测结果 结论
1 高温贮存
（0.2±0.2）V
2 低温贮存
5 稳态加速度
6 温度冲击
≥100（100V DC）
090201 ＞100
090202 ＞100
9 电气寿命
（0.2±0.2）V
5.3.1离心机校准法
离心机校准法适用于具有零频响应的加速度传感器，如应变式和压阻式加
速度传感器。离心机由经过严格平衡的回转盘和使盘回转的电力-机械驱动系统
组成。为了引出传感器的输出信号，离心机上装有低噪声集流环。校准时，将
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被校加速度传感器固定在离心机的转盘（或悬臂）上，使加速度传感器的敏感
轴与转盘（或悬臂）的径向重合，调整加速度传感器距转轴中心线的径向距离
及转盘旋转角速度，可以得到所需要的向心加速度[39]。作用在被校加速度传感
器上的向心加速度为
22222 44 TRRnRa ππω ===
式中 ω— 转盘的旋转角速度，rad/s；
n — 转速，r/s；
T — 转盘的回转周期，s；
R — 由旋转轴中心到被测传感器敏感元件质量的惯性中心的径向距离，
由上式可知：加速度的大小决定于加速度传感器中敏感元件所在位置的回
转半径 R 和转速 ω 即 T 的大小，误差也主要来源于这两项。
根据误差理论和上式，可得向心加速度的相对误差为
22 )()2( δδδ
实际测量独立参数时，T 的误差很小，一般远小于 0.1%,而 R 的误差有可
能很大。因为一是离心机的集流环处在转盘的中心位置，加速度传感器到真实
转动中心线的径向距离很难准确测到，存在误差 δR；二是不同的加速度传感器
在惯性力的作用下，确定敏感元件的惯性中心位置和惯性质量移动时，会产生
R 的系统误差，该误差有时会大大超过偶然误差 δR 的数值。对于长臂（R 值大）
离心机，则测量 R 的相对误差很小，但对小转盘式（R 值小）离心机，测量 R
的相对误差可能很大。这样就会造成确定向心加速度的相对误差增大[40]。
为了消除测量 R 的系统误差，采用径向 R 差值法比较方便。即采用相同的
向心加速度，对被测加速度传感器分别进行两次试验，每次试验所对应的角速
度和由旋转中心线至加速度传感器敏感元件的惯性质量的径向距离均不相同。
若两次试验所采用的角速度和径向距离分别为 ω1，ω2 和 R1,R2,根据（5-1）式
知，相信加速度分别为
将式（5-3）×ω2
2-式（5-4）×ω1
式中 △R — 第一次和第二次试验时被测加速度传感器沿径向位置的距离
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T1、T2 — 分别为第一次和第二次试验时离心机转盘的旋转周期，s。
根据误差理论和式（5-5），确定向心加速度的误差为
±= δδδ
式中 k =T2/T1。
用离心机转盘（或悬臂）上固定仪表用的滑块游标测定△R 值，其误差有
时可达到 0.05mm；用数字频率计测 T 的误差可高于 10-6s。这样，根据式（5-7）
就可求出不同向心加速度的误差。对于具体的离心机，若其转速稳定，只要合
理地选取△R，则其向心加速度的误差可达很小，完全满足规定要求[41]。
5.3.2 正弦比较校准法
正弦比较校准法基本原理是将经过一次振动校准过的标准传感器与被校传
感器背靠背地刚性地安装在振动台的台面上，使这两个传感器感受到同样的输
入运动，在传感器全量程范围内均匀取几点加速度值，记录标准传感器测得的
加速度值和被校传感器的输出值，利用最小二乘法计算被测传感器的非线性误
差[42]。要求标准传感器的综合误差为被校传感器基本允差的 1/3～1/10，以满足
测试精度的要求。正弦比较校准法测式系统简图如图 5-1 所式。
标准加速度计
被校加速度计
测量放大器
图 5-1 正弦比较校准法测试系统简图
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5.4 传感器数据处理方法
传感器校准数据的理论直线用最小二乘法求得。该直线方程为
式中 Y — 传感器的理论输出；
a、b — 直线方程的截距和斜率，由校准数据的最小二乘法拟和求出；
x — 传感器的输入量，即被测量。
令有 m 个校准测试点，传感器的实际输出为 y,则第 I 个校准数据与理论直
线上相应值之间的偏差为
)( iii bxay +?=?
最小二乘法理论直线的拟和原则就是使∑
2 为最小值，也就是说，使∑
对 b 和 a 的一阶偏导数等于零，从而求出 b 和 a 的表达式：
∑ ∑ ∑ ∑
∑ +++= mi xxxx ?21 ；
yyyy∑ +++= ?21 ；
mmii yxyxyxyx ?++=∑ 2211 ；
xxxx∑ +++= ? ；
m — 标准点数。
以最小二乘直线作理论特性的特点是各校准点上的偏差的平方和最小。
非线性是指在规定条件下，传感器校准曲线与工作直线不一致性。在数值
上用传感器校准曲线与工作直线间的最大偏差的绝对值对满量程输出的百分比
值来表示。计算公式如下:
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%100max ×
式中 │△L│max — 校准曲线与工作直线间的最大偏差；
YFS — 传感器满量程输出。
5.5 传感器非线性误差测试结果计算
传感器非线性误差测试数据及计算结果如下所示。
g 值（g） 10 20 30 40 50 60
输出(mv) 596 76
非线性(%) 0.33
g 值（g） 10 20 30 40 50 60
输出(mv) 598 82
非线性(%) 0.25
g 值（g） 10 20 30 40 50 60
输出(mv) 597 84
非线性(%) 0.18
5.6传感器可靠性增长试验
可靠性增长试验是为了发现产品的设计、元器件、零部件、原材料和工艺
等方面的各种缺陷进行的。主要包括的试验项目有：冲击试验、振动试验、温
度冲击试验和电老化试验[43]。
冲击试验是按照 GJB150.18-1986 方法和以下条件进行：峰值加速度：20g；
峰值加速度允许误差：±10%；持续时间：5ms～6ms ；脉冲波形：半正弦
波；冲击方向和次数：传感器的±X、±Y、±Z 六个方向，每向 2 次冲击。
温度循环试验按 GJB1032 附录 B 的方法进行，试验温度：（-40±3）℃/
（60±2）℃；温度变化率：不小于 10℃/min；保持时间：2h；循环次数：缺陷
剔除为 10 次，无故障检验为 2 次。试验要求：试验从室温开始，先进行低温试
验，再进行高温试验，后降至室温，为一个循环。
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振动试验按 GJB 中 4.5.21 方法进行，振动量级 8g。
电应力试验供电时间：1000h；温度：25℃±5℃；试验中，每通电 12h 后
要断电 0.5h，为一个工作周期；试验中加电监测传感器的输出。
可靠性增长试验的条件和步骤、方法都是尽可能模拟产品的寿命剖面和任
务剖面，试验具有真实性。可靠性增长试验的目的是暴露在使用环境下才能发
生的问题、故障和缺陷。通过可靠性增长试验，发现了一些问题：比如在产品
的早期研制过程中，冲击试验后，加速度敏感芯体输出异常。拆除传感器封装
后，在光学显微镜下发现加速度感芯片固定位置上发生了变化，并且出现了裂
纹。经分析为加速度敏感芯片的固定方式不可靠造成的。在更改了敏感芯片的
固定安装表面材料和固定安装方式后，加速度敏感芯片在后续的冲击试验中未
再发生此类现象。
可靠性增长试验的电老化时间在 1000 h 以上，说明一体化加速度传感器与
传统的加速度传感器相比，具有低功耗的优势。这对于我们未来研制生产恶劣
环境下具有耐久性的加速度感器等工作领域都有非常积极的参考意义。
5.7 本章小结
本章介绍了微小型一体加速度传感器在研制过程中的一些具有代表性的实
验，并对实验数据和结果进行了分析。介绍了非线性测试的两种方法和数据处
理的方法。对于筛选实验中出现的一些问题进行了分析，并给出有效的解决方
法。对传感器产品进行可靠性增长试验，做出可靠性评估。
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本文设计和制作了一种基于 MEMS 技术的加速度感器。详细介绍了加速度
传感器的结构设计、电路设计、数据分析和一种温度性能的补偿方法。介绍了
压阻式加速度传感器的工作原理以及加速度芯片的制作工艺。
对基于 MEMS 技术的加速度传感器制作工艺进行了详细说明，确定了工艺
参数。对于了、工艺操作过程中容易造成产品缺陷的环节进行了分析，采取了
相应的保护敏感元件的措施。并且对传感器的整体封装中工艺难点进行了分析，
总结了管壳内部粘结的一些经验，通过改变劈刀送丝角度、预先固定盖板和管
座等方法，解决了传感器壳体内部电子元器件顺利连接，壳体和上盖难于焊接
的几个问题。
传感器在电路设计方面因为本身敏感元件输出较小所以对传感器的输出进
行了放大，这样易于信号的采集；在传感器温度性能上也进行了补偿的设计，
通过调整热敏电阻的调整来实现产品热灵敏度漂移性能的稳定，温度变化热敏
电阻阻值也随之变化，使得给传感器的供电也随之变化，这样很好的弥补了由
于敏感元件自身热灵敏度漂移导致的传感器热灵敏度误差较大的问题；通过一
些工艺措施和设计保证，进行了产品可靠性的可靠性分析，确保产品在出现问
题的情况下不会对整个使用系统造成巨大的影响。
本文对一体化加速度传感器进行了实验测试，给出了传感器非线性测试的
两种方法，和相应的数据处理方法，对产品进行了军品级试验考核，全部性能
指标都可以达到项目任务书的要求。该传感器成功利用压阻效应和相关的平面
工艺技术、微机械加工技术、硅静电封接技术以及电子线路中信号调节与补偿
技术，该传感器具有灵敏度高、横向灵敏度比（交叉耦合误差）小、分辨率高、
抗冲击、耐恶劣环境、性能稳定等特点。
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本研究和论文是在我的导师田日才教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。
田老师对本人谆谆教诲，帮我明确课题方向、理清课题研究思路、并指出论文
完成过程中的关键性问题。田老师言传身教，用渊博的学识、严谨的治学态度、
灵活的思维方式和实事求是的工作态度告诉我为学、为人、为事的道理和宝贵
的经验。感谢王钢、苏雁泳老师对我的论文提出的宝贵意见，感谢贾敏老师对
我一直以来的热切帮助，在此深鞠一躬向田老师和各位师长致以最诚挚的感谢
和深深的敬意。
感谢中电科 49 所的孙光岩同志在课题研究方面给予我的帮助，他提出很多
真知灼见，扩展了我的研究思路。感谢中电科 49 所的同仁，在我求学期间给了
我很多有力的支持。
感谢王震、翁榕、牛薇、孙典等同学，感谢你们与我分享这段求学的人生
经历，大家真诚的互助和无私的交流，使得我能更快地取得进步，和你们相处
的日子快乐而难忘，也让我感受到友情的温暖和珍贵。
最后，向所有给予我帮助的人表达诚挚的谢意！
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
1982 年 6 月 17 日出于黑龙江省哈尔滨市。
2001 年 9 月考入哈尔滨理工大学电子信息工程专业，2005 年 7 月本科毕业
并获得工学学士学位。
工作经历：
2006 年 9 月至今
中电科集团第 49 所工作