MEMS电场传感器的设计与工艺研究

摘要

本课题基于微机械加工技术、利用电荷感应原理，针对空间低频及静电场的检测进行了器件的方案设计和加工工艺研究。按照不同的技术路线和电荷感应方式，提出三类MEMS电场传感器，分别是体加工平行振动式、表面加工平行振动式和体加工垂直振动式电场传感器。 本文采用基于有限元方法的计算机模拟技术对电荷感应进行电学仿真，结合对振动单元的动力学分析，计算出了感应电流有效值，从而验证了设计方案的可行性。加工上则主要采用两条路线，一是按照标准工艺流程对外流片加工，二是基于体加工工艺流程在本实验室加工。其中表面加工平行振动式电场传感器采用对外流片的方式，分别利用单晶硅、二氧化硅作为结构层和牺牲层，最后再对加工好的器件进行结构层释放。基于体加工的电场传感器则在本实验室加工，硕士期间完成了平行振动式电场传感器的设计和雏形样机制作。其中包括利用金属薄膜作为屏蔽电极，在硅片背面溅射金属薄膜、正面掏空屏蔽区域的电极制备方法具有成品率高、加工简单的优势。同时设计并制备出差分输出感应电极用以抵消共模干扰。最后针对关键工艺进行研究，如KOH溶液的各向异性腐蚀技术和阳极键和工艺研究等。

目录

文摘

英文文摘

研究成果声明和关于学位论文使用权的说明

第一章绪论

1.1电场传感器的研究意义

1.2微机电系统技术及相关工艺回顾

1.3 MEMS电场传感器的发展现状

第一章参考文献

第二章MEMS电场传感器的工作原理

2.1电场屏蔽原理

2.1.1电极遮挡屏蔽方式

2.1.2边缘效应屏蔽方式

2.1.3孔阵列屏蔽方式

2.1.4几种屏蔽方式的比较

2.2器件的静电激振原理

2.3器件的信号检测原理

2.4本章小结

第二章参考文献

第三章MEMS电场传感器设计方案

3.1屏蔽、感应电极对的设计与实现

3.1.1硅-玻璃衬底复合结构

3.1.2硅膜屏蔽电极

3.1.3金属薄膜屏蔽电极

3.1.4多晶硅薄膜电极

3.2振动单元设计

3.2.1电容阵列驱动结构

3.2.2平行板驱动结构

3.2.3梁的设计

3.3本章小结

第三章参考文献

第四章 理论计算及模拟仿真

4.1有限元方法及ANSYS软件简介

4.2电荷感应仿真及感应电流的计算

4.2.1遮挡屏蔽方式仿真

4.2.2边缘效应屏蔽方式仿真

4.3动力学分析及感应电流计算

4.3.1体加工平行振动式电场传感器

4.3.2表面加工平行振动式电场传感器

4.3.3体加工垂直振动式电场传感器

4.4本章小结

第四章参考文献

第五章 MEMS电场传感器的工艺分析

5.1表面加工平行振动式传感器流片方案

5.2体加工平行振动式电场传感器

5.2.1 工艺流程

5.2.2 工艺分析

5.3针对性工艺研究

5.3.1静电键和

5.3.2 KOH溶液体硅溶蚀

5.4本章小结

第五章参考文献

第六章体加工平行振动式电场传感器的改进

6.1振动结构释放工艺的改进

6.2差分检测电极设计

6.3屏蔽电极的加固

第七章结论与展望

7.1全文总结

7.2成果小结

7.2创新点

7.3展望

发表论文及成果清单

致 谢