基于MEMS技术的三轴电容式加速度传感器研究

摘要

微机械加速度传感器以其体积小、易集成和功耗低等优点，在军用和民用设备上都有广阔的市场前景，而微电容式传感器更是由于其具有高灵敏度、低温度漂移等特点，得到越来越多的关注和研究。针对国内对微三轴电容式加速度传感器研究较少和产业化较薄弱的特点，本文设计并制备了一种三轴共用同一质量块的三轴电容式加速度传感器。　　首先，文章对比分析了各类型加速度传感器的性能和特点，结合项目的具体技术指标，确定所设计加速度传感器的类型为电容式加速度传感器；并根据灵敏度的技术要求，确定加速度传感器各轴向均采用定齿偏置梳齿式电容器结构，且水平(X-Y)轴向采用改变电容器间距的方式来敏感加速度的变化，而垂直(Z)轴向采用改变电容器正对面积的方式完成对加速度的检测。　　其次，通过对微悬臂梁和质量块进行对比分析后，确定了加速度传感器的结构；对该结构的原理和抗干扰能力作了理论分析，论证了该结构的可行性；并对结构进行优化分析，确定了结构的尺寸。针对最终的结构尺寸利用ANSYS10.0建立有限元模型，对结构进行静态、模态及谐响应分析，就分析得到的最大微位移、满量程应力分布、共振频率和各阶振型等数据，论证了该结构的可靠性。通过理论分析，得出该结构灵敏度计算公式；结合静态分析的数据，计算出传感器X-Y轴向和Z轴的灵敏度分别为1.2fF/g和1.0fF/g，量程为±50g。　　最后，在讨论了本结构加工过程中所需的工艺步骤特点和注意事项后，结合中国兵器工业研究院第214研究所MEMS工艺线的工艺要求，详细制定了结构的加工流程；并利用L-edit绘制了加工结构所需的掩模板图形，且完成对样片的制备工作。

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第一章 绪论

1.1 MEMS的定义

1.2 MEMS及其加速度传感器的发展历程

1.2.1 MEMS的发展状况

1.2.2 MEMS加速度传感器的发展状况

1.3 本文的研究目的和内容

第二章 典型加速度传感器

2.1 加速度传感器的基本理论

2.1.1 加速度传感器的理论模型

2.1.2 加速度传感器的微梁比较

2.1.3 加速度传感器的阻尼效应

2.2 常见微加速度传感器优缺点比较

2.2.1 电容式微加速度传感器

2.2.2 压阻式微加速度传感器

2.2.3 压电式微加速度传感器

2.2.4 隧道电流式微加速度传感器

第三章 三轴电容式加速度传感器结构设计与分析

3.1 三轴电容式加速度传感器的方案

3.1.1 梳齿式电容器结构选择

3.1.2 定齿偏置梳齿式电容器结构选择

3.2 传感器结构设计

3.2.1 水平轴向结构设计

3.2.2 垂直轴向结构设计

3.2.3 整体结构布局

3.3 检测原理及抗干扰分析

3.3.1 水平(X-Y)轴向

3.3.2 垂直(Z)轴向

3.4 灵敏度分析

3.4.1 水平(X-Y)轴向

3.4.2 垂直(Z)轴向

3.5 有限元分析

3.5.1 结构尺寸及静力学分析

3.5.2 模态及谐响应分析

第四章 三轴电容式加速度传感器的制备

4.1 制备工艺简介

4.1.1 硅片清洗

4.1.2 光刻

4.1.3 磁控溅射

4.1.4 键合技术

4.1.5 湿法刻蚀

4.1.6 深反应离子刻蚀

4.2 版图设计

4.2.1 结构尺寸

4.2.2 版图结构

4.2.3 版图套准

4.3 工艺流程

4.3.1 材料

4.3.2 工艺流程

4.3.3 工艺流程剖面图

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 后续研究

参考文献

攻读硕士期间发表的论文