使MEMS技术更为经济

在过去的20年中，人们已经开发出了种类繁多的MEMS加速度计，其中大多数都是基于同样的机械系统：带有一个与弹簧相连的敏感质量。弹簧的形状可以是薄膜片式、悬臂梁式或者其它一些结构。
敏感质量在加速过程中所受到的惯性力，能让悬臂梁弯曲或者使膜片变形，产生出应力或者位移。这些机械信号通过采用压电、压阻或者电容手段变换为电信号输出。经过多年的革新和开发，许多此类器件已经成熟，从研究样机转化为实用的、可大批量生产的商品化加速度计。然而，由于制造要求严格而且许多工艺需要自行开发，这些器件价格昂贵。
加拿大Simon Fraser 大学与MEMSIC公司合作，已经开发出新一代经济型加速度计。这一新式的热加速度计外形小巧、精度高、坚固而且价格低廉。这些固有的优点使得热加速度计成为商品市场上的理想选择。
该加速度计的核心是一个在硅衬底上制作出的空腔，它可以提供有热隔离性的空气空间。3根薄膜微桥悬空于该空腔上，其中一根加热桥位于中间，而另外两根温度敏感桥置于两侧，并与加热桥保持相同的距离。该器件置于气密封装中，以防止外部的空气流动干扰器件的工作。
当电流流过加热桥时，周围的空气被加热并产生温度梯度。由于两个温度传感器是对称放置的，所以它们感受到相同的温升，并不产生差分输出信号。加速运动时，相应的对流传热打破了这一对称场，在两个温度传感器间造成了温度差，这一差异随后被转换为与加速度成正比的输出电信号。
这种热对流加速度计结构与传统的敏感质量＋弹簧结构相比有一个优点，即无需固态的敏感质量。这样，桥结构就可以尽可能轻，减小了大大超出量程的信号(如搬运失误带来的机械冲击或者最终用户系统所受的意外打击)对器件造成损伤的机会。对传统的敏感质量＋弹簧结构来说，要提高灵敏度，就要增加敏感质量的大小或降低弹簧常数，无论哪种措施都会影响加速度计抗超量程信号损伤的能力。相比之下，热加速度计的灵敏度与加热器和温度传感器桥的质量无关，器件灵敏度的提高根本不会影响到器件的坚固性。
热加速度计另一个重要特征是其结构的简单性。与其他类型的MEMS加速度计相比，热加速度计制造所要求的设备和需要专门开发的工艺步骤更少。
热加速度计简单的器件结构为厂家利用标准的代工服务完成制造提供了很好的机会，这大大降低了热加速度计在大批量制造时的固定设备成本。在代工厂中完成园片制造之后，只需通过一个CMOS兼容的、后步腐蚀工艺就可以制作出悬空的桥结构。利用代工厂中成熟的工艺而只需开发一步专门工艺，这大大降低了热加速度计的器件成本。
由于其器件几何尺寸更大，热加速度计对工艺控制要求较宽松。典型的空腔尺寸范围从几百mm到超过1mm，加热器和温度传感器桥的关键尺寸为数mm到数十mm。这些尺寸比代工厂亚0.5mm的制造能力至少高出1~2个数量级，因此器件性能的重复性以及成品率都非常高。
以标准制造工艺制作出的产品表明，其未经修调的偏移小于0.5g，器件－器件间灵敏度波动小于20％。在封装修调电路中使用这些器件，可以在后步腐蚀工艺完成之后进一步将这些未经修调的误差减小一个数量级。
热加速度计的频率响应也极为有限，这是由温度传感器桥的热时间常数决定的。典型的热加速度计的频率响应小于100Hz，虽然为改善频率响应而进行了优化的试验性装置可以工作在400Hz以上，但这种类型的热加速度计的频率响应是不可能大大超出这一水平的。
需要注意的第二个器件特性是：器件的灵敏度会随环境温度变化而变化。器件的灵敏度来源于气体中的热对流，相应的，其温度系数也较大。这种与灵敏度变化有关的温度只取决于所用气体的物理特性，而与热加速度计器件结构无关。所以，热加速度计的灵敏度温度系数虽然不小，但在器件与器件之间并无多大差异。所需要采取的全部措施，就是找到一个温度补偿系数，用来在大规模生产中修正所有热加速度计中存在的这一不理想的器件特性。
于是，也就不再需要对每个单元都进行标定，这一独特的特性使热加速度计有极高的性价比。
用MEMSIC开发的热加速度计全套制造工艺流程，除了一步之外，都可以由代工厂通过标准、成熟的CMOS工艺制作出来,为了形成空腔，采用了一种专有的、与CMOS兼容的工艺后腐蚀。这些热加速度计还内置有先进的处理电路，以提供如下的功能：

只需对布线图作稍许改动，就可以基于同样的对流传热原理制作出一种双轴加速度计。该新的热加速度计运用了新材料和新制造技术，体现了更经济的制造方式。它在试验中表现出的高精度和坚固性证明：新方法也可以很经济。■