微机械电容式传感器及其相关特性研究

摘要

该文深入研究了梳齿小角度倾斜的电容式传感器,不同驱动电容配置下受到脉冲加速度信号和阶跃加速度信号作用时的响应特性,得到了在不同驱动电容配置,不同倾斜角度情形下的临界脉冲可持续时间和最大阶跃加速度信号随驱动电压的变化曲线.分析了电容式传感器梳齿的倾斜对传感器电容、灵敏度、静电力和静电弹簧常数的影响.传感器所能承受的对应不同倾斜角度的最大脉冲加速度或最大阶跃加速度可以通过文中建立的分析模型得到,这对梳齿电容式传感器的设计可以提供参考.用有限元工具ANSYS中的电场模块,分析了倾斜电容极板的电场边缘效应.分析了文中所用的电容和静电力模型的计算值和模拟值间的误差.采用不同的DRIE工艺参数,并采用结构保护措施,实验研究了减小电容极板倾斜角度的工艺方法.前人在研究驱动信号对传感器的静电力效应时,用偏置电压极性为正一负配置的驱动信号进行研究.该文通过改变偏置电压极性分别为正一正、负一正、负一负,并和偏置电压极性为正一负配置时进行对比,深入研究了电容式传感器在不同偏置电压极性下,驱动信号产生的静电力对传感器检测和工作性能的影响.对于横向运动的体微机械器件,其周围空气表现为滑膜阻尼.该文基于滑膜阻尼的两个模型,通过改变振子与衬底的间距、振子的厚度、刻透的栅槽的宽度、没有刻透的栅槽的深度等参数,研究了这些参数对硅一玻璃键合工艺制作的体硅微机械电容式传感器阻尼特性的影响.并用建立的传感器有限元分析模型,分析了计算值和实验值间的误差来源.用表面微机械制作的电容式传感器,其敏感质量较小、热机械噪声大、分辨率不高.而改用体硅微机械制作可以改善这些问题.该文设计、模拟并制作了一种基于硅一玻璃键合工艺的U型梁支撑的微机械电容式加速度计.该传感器制作工艺简单,灵敏度高,支撑梁采用U型,减小了刻蚀后的残余应力,用玻璃作为衬底,减小了衬底和硅可动质量块间的寄生电容,且把传感器芯片和用IC裸片制作的接口电路集成在一起,提高了封装密度,减小了传感器系统的噪声,为采用MCM技术制作电容式加速度传感器模块打下了基础.

目录

文摘

英文文摘

第一章引言

1.1微机械技术概述

1.2微机械加速度计检测技术

1.2.1加速度传感器工作原理

1.2.2相关检测技术

1.3微机械电容式加速度计

1.3.1工作原理

1.3.2电容式传感器的静电驱动

1.3.3梳齿电容式传感器

1.4微机械传感器的空气阻尼

1.4.1压膜空气阻尼

1.4.2滑膜空气阻尼

1.5本论文的主要工作

参考文献

第二章工艺误差引起的梳齿非平行效应对电容式传感器特性的影响

2.1引言

2.2倾斜梳齿传感器对脉冲加速度信号的响应

2.2.1单边电容结构

2.2.2双边电容结构

2.2.3有力平衡的双边电容结构

2.2.4结果分析

2.3倾斜梳齿传感器对阶跃加速度信号的响应

2.3.1单边电容结构

2.3.2双边电容结构

2.3.3结果分析

2.4对力平衡差分电容传感器其他性能的影响

2.5有限元模拟分析

2.5.1 ANSYS模拟

2.5.2结果及其讨论

2.6减小差分电容传感器极板倾斜效应的方法

2.6.1 ICP刻蚀原理概述

2.6.2 ICP刻蚀侧壁倾斜效应的形成及其改善

2.7本章小结

参考文献

第三章偏置电压极性对差分电容传感器的影响研究

3.1引言

3.2电容式传感器的双边驱动

3.2.1双边驱动下偏置电压为正-正配置

3.2.2双边驱动下偏置电压为正-负配置

3.2.3双边驱动下偏置电压为负-正配置

3.2.4双边驱动下偏置电压为负-负配置

3.3电容式传感器有反馈电压的双边驱动

3.3.1有反馈下偏置电压为正-正配置

3.3.2有反馈下偏置电压为正-负配置

3.3.3有反馈下偏置电压为负-负配置

3.3.4有反馈下偏置电压为负-正配置

3.4不同极性下的分析结果及其讨论

3.4.1正-正偏置电压极性时结果分析

3.4.2正-负偏置电压极性时结果分析

3.4.3负-负偏置电压极性时结果分析

3.4.4负-正偏置电压极性时结果分析

3.5本章小结

参考文献

第四章栅形槽结构的体硅微机械传感器的阻尼特性研究

4.1滑膜阻尼理论

4.1.1滑膜阻尼计算的两个模型

4.1.2两个模型对品质因子的计算实例

4.2栅形槽结构的滑膜阻尼实验器件的设计及其制作

4.2.1实验器件的设计

4.2.2顶部刻蚀穿的栅形槽传感器的制作工艺

4.2.3没有刻蚀穿的栅形槽传感器的制作工艺

4.3器件的测试及结果分析

4.3.1器件的测试

4.3.2测试结果分析

4.3.3误差来源分析

4.4 结论

4.5本章小结

参考文献

第五章U型梁梳齿电容式加速度计

5.1加速度计的设计

5.1.1加速度计的结构设计及工作原理

5.5.2加速度计的参数优化

5.5.3加速度计系统的阻尼和噪声

5.5.4加速度计的有限元模拟

5.2加速度计的制作

5.2.1加速度计的制作流程

5.2.2加速度计制作的几项关键工艺

5.3加速度计的封装及测试

5.3.1力平衡加速度计C-V转换电路

5.3.2传感器芯片和处理电路的高密度封装

5.3.3传感器系统的噪声测试

5.3.4传感器的静态测试

5.3.5传感器的动态测试

5.4本章小结

参考文献

第六章结论

攻读博士学位期间发表/已投稿的学术论文

致谢