三维微力传感器探针结构设计及仿真研究

摘要

随着微电子和MEMS技术的不断发展，半导体及体硅加工工艺的不断完善，基于MEMS技术的半导体传感器朝集成化和微型化的方向发展。利用硅的压阻效应和微机电技术制成的压阻式传感器，具有灵敏度高，动态响应好，精度高，易于微型化和集成化等特点，获得广泛应用，是发展非常迅速的一种新的物性型传感器。
　　 为了满足三维微力测量的迫切需求，本论文以MEMS体硅压阻工艺技术为基础，结合微探针与四悬臂硅梁支撑结构的特点，研制了一种基于微探针形式，具有μN级三维微力测量和传感的能力的半导体压阻式三维微力硅微集成传感器。并针对半导体集成三维微力传感器的总体设计、加工和封装等工艺过程中的技术和相关理论进行了相应的研究，在4mm×4mm的硅基半导体芯片上集成三维微力传感器，解决半导体三维微力传感器的结构设计、制作以及三维微力之间的相互干扰等关键问题。通过ANSYS数值仿真的方法研究了传感器结构之间的应力特点并对封装工艺进行了简要的说明。并且通过实验验证了所研制的传感器的综合精度可达到≤0.2％FS，其Y和Z方向的线性灵敏度为分别为0.1682mv/μN和0.0106mv/μN，最大非线性度分别为0.198％FS和0.012％FS。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的来源、意义及培养目标

1.2 MEMS概论

1.2.1 MEMS技术的特点

1.2.2 MEMS技术的应用

1.2.3 MEMS技术的发展趋势

1.3传感器发展简况

1.3.1力传感器基本类型及其优缺点比较

1.3.2多维MEMS力传感器发展状况

1.3.3基于微探针形式的MEMS微力传感器

1.4主要研究内容

第二章压阻式力传感器的基本理论

2.1压阻式传感器概述

2.1.1压阻效应

2.1.2压阻式传感器的种类

2.1.3压阻式传感器的特点

2.2惠斯登电桥

2.2.1惠斯登电桥方法

2.2.2惠斯登电桥的应用

2.3本章小结

第三章 三维微力探针传感器的结构设计

3.1三维微力探针传感器的结构设计与实现

3.1.1物理尺寸限制

3.1.2工艺限制

3.1.3结构限制

3.2三维微力探针传感器限位过载保护功能设计

3.3三维微力探针传感器相互干扰问题研究

3.4三维微力学探针的选择研究

3.5三维微力探针传感器的工艺

3.6三维微力探针传感器的封装技术

3.7三维微力测试台的设计与搭建

3.8本章小结

第四章 ANSYS仿真与实验研究

4.1三维微力探针传感器的ANSYS仿真

4.1.1传感器承受Fz时弹性梁的变形情况

4.1.2传感器承受Fx时弹性梁的变形情况

4.2静力分析

4.2.1施加X(Y)方向力

4.2.2施加Z方向力

4.3实验研究

4.3.1 y向力测试结果

4.3.2 z向力测试结果

4.4本章小结

第五章 研究结果分析与讨论

5.1线性度分析结果

5.2灵敏度分析结果

5.3重复性分析结果

5.4迟滞分析结果

5.5精确度分析结果

5.6综合精度结果

5.7三维微力探针传感器的误差来源

5.8本章小结

第六章 总结与展望

6.1研究成果总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间所发表的论文与专利