新型Z轴差分电容式加速度传感器研究

摘要

微机械加速度传感器克服了传统机械传感器的诸多缺点,而在许多领域得到了广泛的应用,其中,电容式加速度传感器因其高灵敏度、低温度漂移等特点备受瞩目。本文针对电容式加速度传感器设计中Z轴易出现耦合干扰及分析不够精确这一现象,对Z轴差分电容式加速度传感器进行了详细的分析研究。　　首先,文章介绍了MEMS的基本概念、特点、技术背景和国内外的研究发展现状,分析了传统电容式加速度传感器理论模型的不精确性,从而选择完全差分电容结构,分析了电容式加速度传感器的结构特点,从而选择梳齿结构作为检测电容的极板。并且构建了更精准的模型以解决非敏感方向加速度而产生的小幅扭转对检测带来的影响。　　其次,根据选定的梳齿结构,分析其受力情况。主要讨论了卡西米尔力的大小和其对MEMS加速度传感器的影响,确定了卡西米尔力产生影响时的梳齿规格;分析了静电力作用下各种电容器的电容量,边缘效应的近似量和对电容值的影响,确定了边缘效应产生影响时的梳齿规格。根据这两种力的论证分析,为下一步确定梳齿尺寸消除卡西米尔力和边缘效应的影响、简化运算做准备。　　然后,简单介绍了集成电路的工艺基础和MEMS常见的加工工艺,包括表面加工、体硅工艺、LIGA、CMOS-MEMS工艺等,为后续样片制备作好准备工作。　　最后,通过上述的分析确定了Z轴完全差分电容式加速度传感器的交错梳齿结构,分别对其在各方向加速度作用下发生的偏转建模并求解,根据所得结论进行结构的优化设计,使得传感器在设计的量程范围内达到最佳检测效果。利用Ansys进行的模拟分析,得到的该传感器的灵敏度为0.37fF/g,共振频率为4615Hz,能够在大多数工作环境中良好的运行。

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第一章 绪论

1.1 MEMS的基本概念

1.2 MEMS的应用领域

1.3 MEMS传感器的发展历程

1.4 本文研究的目的和内容

第二章 MEMS加速度传感器的类型和工作原理

2.1 MEMS加速度传感器的类型

2.2 MEMS加速度传感器的基本原理

2.3 MEMS加速度传感器挠性梁的设计

2.4 电容式加速度传感器结构选择

第三章 MEMS传感器的制备工艺

3.1 集成电路工艺基础

3.2 体微加工技术

3.3 表面微加工技术

3.4 LIGA技术

3.5 MEMS与 IC工艺集成

第四章 梳齿结构力学分析

4.1 卡西米尔力

4.2 静电场与电场力

第五章 Z轴差分电容式加速度传感器的结构设计与分析

5.1 结构设计与分析

5.2 有限元分析

第六章 总结

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

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