基于MEMS的熱對流加速度計的現狀和發展綜述*

葉劍飛, 劉曉陽

(杭州電子科技大學 電子信息學院,浙江 杭州 310018)

0 引 言

近年來，智能手機、可穿戴式設備的迅猛發展，極大地促進了微機電系統(micro-electro-mechanical system,MEMS) 加速度計市場需求量。微機械熱對流加速度計利用氣體自然對流在加速度作用下發生改變的原理研制，體積小、成本低，具有結構簡單、抗沖擊強度大等優點，近年來被美國、日本、葡萄牙、印度等多國研究機構挖掘探索，通過不斷采用新材料、新工藝、微米(μm)乃至納米(nm)尺度以及更高的性能指標對熱對流加速度計全面深入研究[1]。本文對熱對流加速度計的現狀和發展進行了綜述。

1 熱對流加速度計的工作原理

熱對流式加速度傳感器結構如圖1所示，由封閉的單晶硅腔體、加熱器和一對對稱的溫度傳感器組成[2]。加熱器(加熱元件)和溫度傳感器(熱敏元件)懸于硅腔體上方[3～13]。當敏感方向無加速度時，腔體內的加熱氣體只在重力加速度的作用下發生對流,加熱器水平兩邊相等位置上的溫度傳感器溫度相等，無溫度差,輸出為零；敏感方向有加速度時, 腔體內的氣體在重力加速度和外來加速度的聯合作用下產生對流, 此時兩個溫度傳感器出現溫度差， 輸出產生差異[1,6～8,11]，再經惠斯通電橋[1,7]轉換為電壓差輸出。

圖1 熱對流加速度計結構[1,6]

2 熱對流加速度計國內外研發現狀

2.1 微加工熱對流加速度計的設計熱模擬[9]

法國蒙彼利埃大學電子中心使用流體動力學方程的數值分辨率研究了根據加熱器—檢測器間距離測定溫度分布和傳感器靈敏度，使用微加工硅的技術制造具有位于距離加熱器100,300,500 μm的3對檢測器的熱對流加速度計[10]。原理如下：加熱器沿著密封室的x軸產生對稱的溫度分布,圖2所示，2個溫度檢測器對稱地懸掛在加熱器的兩側。在沒有加速度的情況下，2個檢測器具有相同的溫度，而當在敏感軸x方向上施加加速度時，由于不對稱的熱傳遞，在2個檢測器之間出現溫度差ΔTdet[14]。由于溫差因自由對流導致，研究團隊開發了一個簡單的模型，表明熱對流加速度計的響應與格拉斯霍夫數Gr呈線性Gr=(aρ2βΔTl3)/μ2,式中a為地球重力上的加速度,ρ為氣體密度,β為氣體膨脹系數,ΔT為氣體和加熱器溫度之間的溫差,l為線性尺寸,μ為氣體粘度[10]。

圖2 傳感器有無加速度時溫度變化

結果表明，傳感器靈敏度或兩個對稱檢測器之間的溫差ΔTdet對于300 μm的距離時，熱對流加速度計是最佳的，而實驗最佳值更接近400 μm[10]。

2.2 單軸微機械熱對流加速度計溫度場分布[11]

中船重工集團第701研究所郭偉，汪榮青，胡俊強，李頂根等人[11]在2012年對微機械熱對流加速度計進行了溫度分析，設計了1只六面體腔型微機械熱對流加速度計，加速度計封裝在10 mm×5 mm×5 mm的硅殼內，加熱元件和熱敏元件布置在同一水平線上，加熱元件布置在空腔中心位置，熱敏元件對稱放置[15,16]。

分析過程中，以代表性的0，1，10，25，50gn分別作為輸入的加速度，采用數值分析的方法獲取腔體內的溫度場分布。進而獲得對稱分布的熱敏元件的溫差ΔT，如圖3所示，ΔT越大，在相同加速度輸入的情況下，加速度計感受到的溫差越大，信號輸出越明顯。由圖中看出加速度計內熱敏元件與加熱元件的最佳距離為0.425～0.450 mm，在此區間加速度計具有最高的靈敏度[9]。

圖3 兩對稱熱敏元件在不同加速度下的溫差[9]

2.3 雙軸熱對流加速度計的靈敏度改進[15]

2016年,印度理工學院克勒格布爾分學院電子和電氣通信工程系的3位研究者，提出了一種熱對流加速度計，包括1個中央加熱器和4個溫度探測器(熱敏電阻器)，加熱器對稱放置在4個懸掛的腔體中間[14]。加熱器由中央加熱器框架和4個支撐梁組成，加熱器和溫度檢測器由多晶硅制成，置于空腔中。采用氣密密封以阻止空氣與外界流動，從而在密閉空腔中產生強制對流[15，16]。

設計和模擬了3種不同的加熱器結構，以提高加速度計的性能：曲折形、十字形和方環形。所有加熱器尺寸均為0.1 mm×0.1 mm，每個加熱器臂寬為0.01 mm，厚度為0.002 mm。所有結構的加速度計的腔體大小和外部空氣體積均相同。

曲折形加熱器產生的最高溫度限制在中心區域。由于溫度檢測器放置在加熱器和腔邊緣之間，無法實現更高的靈敏度。曲折形加熱器靈敏度較低的另一個原因是其阻礙空腔內空氣的自由流動。

十字形結構在延伸側而不是中心處產生最高溫度。然而，盡管整個面積(0.1 mm×0.1 mm)保持與前者相同，但十字的4個角已經延伸到了0.06 mm，使得最高溫度更靠近檢測器。該加熱器的中心框架是中空的，并且十字形中心的拐角處設計的很寬，以便減小結構對空腔內空氣流動的阻礙，從而提高裝置靈敏度。與曲折形加熱器相比,盡管十字形加熱器已經具有更高的靈敏度，但仍可以進一步提高。

方環形加熱器中間的中空部分使密閉的空氣在空腔內可以自由流動。與前述結構相比，由于溫度分布于加熱器中心框架的周邊以及支撐梁之間，這種設計在3種結構中具備最高的靈敏度。

圖4為3只加熱器的溫度曲線對比。由圖可見，方環形加熱器的溫度在加熱器和腔壁之間緩慢降低，如果在加熱器框架和腔壁中間放置溫度檢測器，則方環形加熱器將感測到更精確的溫度梯度。因此，方環形加熱器的靈敏度較其他2種加熱器高得多。

圖4 3種加熱器沿腔體中部的溫度分布

2.4 三軸熱對流加速度計[17]

葡萄牙的米尼奧大學聚合物及復合材料研究所和國家伊比利亞納米技術實驗室聯合研發，使用聚合物和硅平面微加工技術的組合制造工藝，制造完全集成的三軸熱對流加速度計。具有低熱導率的聚合物(聚苯乙烯和聚酰亞胺)改善了熱對流加速度計的功率消耗，并且制造簡單且成本低[18]。該三軸加速度計結構由4個聚合物部分(兩端以及兩個相同的中心部分)和3個連接的聚合物膜(2個相同的z軸膜和中心膜)組成[17]。

該研究采用增加施加電流測量加熱器電阻值的方法，圖5為加熱器電阻值的實驗結果。當電流增加時，加熱器電阻值由于溫度的增加(由焦耳效應引起)而增加。從已有的3D耦合FEM-CFD模型中獲取沿著加熱器的溫度變化曲線，并且使用電阻溫度系數為2.2×10-3/K(通過實驗獲得)的鋁作為加熱電阻器。基于測量電阻值，圖中顯示了估計的加熱器的中心溫度[13]。結果與模擬值很接近，60 mA的電流能產生580 K的溫度。

圖5 增加溫度測得的加熱器電阻值和預期值

3 熱對流加速度計市場應用現狀

目前，基于熱對流式原理的MEMS加速度計已經在智能手機上得到應用。手機出廠前必須通過1.2 m或更高的自由跌落測試，從1.2 m自由跌落至大理石地面將對整機產生大約50 000gn的沖擊力。如果除去外殼和印刷電路板的緩沖作用，施加到加速度計上的沖擊加速度將超過5 000gn。為了抵御這種沖擊，采用加速度傳感器在第一時間獲取跌落信息，將需避震電子器件的電源關閉，以予保護，如高速旋轉的硬盤，光碟等[19]。另外，在汽車的各種控制系統中，如安全氣囊、防抱死系統中亦使用傳感器，這一發展使得未來無人駕駛汽車成為一種可能[20]。

4 熱對流加速度計的發展趨勢

隨著新興電子技術的發展，特別是無人機和無人駕駛技術的研發，自動化程度越高，對加速度計的依賴就越大。加速度計的最大特點是不斷引入新技術發展新功能，當今技術的發展方向是微型化，低功耗，并且不斷開發新型敏感材料，新型制作工藝[20,22]。在不久的未來，加速度計的智能化會是科研學者又一個研究的前沿方向，勢必將會掀起新一輪的研發熱潮，逐漸加速度計的性能指標并拓寬應用領域。

5 結束語

本文在詳細闡述MEMS熱對流加速度的結構原理基礎上，介紹了其制造工藝，指標，并展望了其未來發展趨勢。