一种新型静电驱动增加检测电容的微惯性传感器研究

摘要

以加速度计为代表的MEMS传感器是应用最为广泛的MEMS器件，而MEMS电容式加速度计具有灵敏度高、体积小、功耗低和智能化等优点，在汽车电子、消费类产品、地震监测、石油探测、导航和生物医学等领域具有十分广泛的应用。本论文主要研究提高电容式传感器精度的方法，并设计制作了一种新型的MEMS加速度传感器。
　　 本文首先介绍了电容式加速度计的基本原理、基本结构和动态工作模型，并在此基础上讨论了影响传感器性能的主要因素。接着讨论了空气阻尼的形成原因，说明了压膜阻尼是影响器件性能的主要因素之一。其次，为了克服了DRIE(Deep reactive ion etching)工艺对深宽比的限制，在传感器结构上设计了驱动器，使深宽比从15:1提高到75:1，大大增大了初始检测电容；为减小空气阻尼，在传感器固定梳齿电极上刻蚀了凹槽，并对其空气阻尼行了研究，结果表明空气阻尼从未开槽时的0.046 Nm/s减小到0.0015 Nm/s。论文通过对传感器结构进行优化设计，使传感系统噪声从1.395μg/√Hz减小到0.591μg√Hz，大大提高了分辨率。
　　 论文用电磁场分析软件ANSOFT-Maxwell对梳齿极板的未交叠部分、槽型梳齿极板的槽间距、槽深宽比的合理设计进行了仿真，对槽型极板电容计算式进行了验证。结果表明，极板长度较小时，边缘效应引起的电容误差较大；在500μm≤L≤1200μm，上下极板未交叠部分在100μm到180μm间边缘效应影响较小；刻蚀槽间距、槽深、槽宽分别为35μm、25μm、20μm时边缘效应引起的误差较小。论文通过等效电路模型法，对比了开环和闭环处理电路的性能理论和仿真结果表明：闭环检测电路结构稳定性更高。据此建立了新型器件动态电路模型，结果表明边缘效应引起的位移变化误差为0.61％。因此对于尺寸较小的电容式传感器，边缘效应是不可忽略的。
　　 论文利用有限元软件分析了加速度计的性能，结果表明传感器的位移灵敏度达到0.901μm/g；并分析了驱动器结构对传感器性能的影响。最后设计了基于硅-玻璃键合工艺的传感器制作版图，并给出了器件的初步制作结果，初步证明了设计的合理性。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 MEMS传感器的概述

1.1.1 MEMS传感器的产生和发展

1.1.2 MEMS传感器的分类

1.1.3 MEMS传感器的应用及前景

1.2 MEMS电容式加速度传感器

1.2.1 MEMS电容式加速度计的描述

1.2.2 MEMS电容式加速度计发展现状

1.3 本论文研究目的

1.4 本论文主要研究内容及工作安排

第2章 电容式传感器基础

2.1 电容式传感器的基本原理

2.1.1 变面积式

2.1.2 变间距式

2.2 电容式加速度传感器的建模

2.2.1 电容式加速计动态模型

2.2.2 弹性梁结构模型

2.3 MEMS传感器噪声

2.3.1 机械噪声

2.3.2 电路噪声

2.3.3 阻尼分析

2.4 本章小结

第3章 MEMS梳齿电容式传感器设计

3.1 吸合驱动器的设计

3.2 单双边静态驱动性能比较

3.2.1 单边驱动

3.2.2 双边驱动

3.2.3 双边带力反馈驱动

3.3 槽型电极板的设计

3.3.1 槽型电极板的结构

3.3.2 槽型极板的噪声分析及最小间距的优化

3.4 电容器件的整体结构设计

3.4.1 梳栅形电极的设计

3.4.2 弹性梁的设计

3.4.3 器件结构简图

3.4.4 器件的具体参数

3.5 新型器件与常规平板电容加速计性能比较

3.5.1 新型器件的总体性能

3.5.2 常规器件不带吸合驱动的性能

3.6 本章小结

第4章 MEMS梳齿电容式传感器性能分析

4.1 梳齿电容极板的边缘效应分析

4.1.1 平行极板电容的边缘效应

4.1.2 梳齿电容极板的边缘效应分析

4.2 槽型梳齿电容极板的边缘效应

4.2.1 修正的电容公式

4.2.2 槽间距的优化

4.2.3 槽深宽的优化

4.3 新型器件的动态性能仿真

4.3.1 常规电容加速计的动态性能模拟

4.3.2 新型加速计的开环电路模拟

4.3.3 新型加速计的闭环电路模拟

4.3.4 脉冲响应下带力反馈与不带反馈性能比较

4.4 考虑边缘效应时闭环电路模拟

4.5 新型器件的模态分析

4.6 驱动器的模态分析

4.6.1 模态分析

4.6.2 倾斜效应分析

4.7 本章小结

第5章 基于MEMS的槽型梳齿电容式传感器的版图设计及工艺制作

5.1 新型器件的版图设计

5.2 MEMS器件加工工艺及常见问题

5.2.1 MEMS制造技术

5.2.2 新型器件的工艺步骤

5.2.3 制作工艺中应该注意的问题

5.3 器件制作初步结果

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 论文中的不足和展望

致谢

参考文献

附 录