動態(tài)下MEMS酒杯式諧振器性能研究.pdf

1、微電子機械系統(tǒng)(MEMS)是一個發(fā)展十分迅速、應(yīng)用日漸廣泛的領(lǐng)域,而MEMS傳感器是應(yīng)用最為廣泛的MEMS器件,其中的MEMS諧振式傳感器具有高靈敏度、高Q值、高穩(wěn)定性、低噪聲性能、低功耗等優(yōu)良特性,在汽車電子、消費電子、生物醫(yī)學(xué)和定位導(dǎo)航等領(lǐng)域中發(fā)揮十分重要的作用。
　　 本文主要是對動態(tài)下MEMS酒杯式諧振器的性能進行研究,而品質(zhì)因數(shù)是MEMS諧振器性能指標中最重要的參數(shù),因此首先介紹了品質(zhì)因數(shù)的物理意義,討論了影響品質(zhì)因數(shù)

2、的四個因素,并在此基礎(chǔ)上分析了對MEMS諧振器品質(zhì)因數(shù)影響最顯著的空氣阻尼損耗。接著討論了空氣阻尼的形成原因,說明了壓膜阻尼是影響MEMS諧振器性能的主要因素之一。
　　 采用ANSYS軟件,利用有限元分析法,分別對雙端固支梁式、圓形酒杯式、方形角支撐式三種典型的MEMS諧振器進行建模和仿真,得出動態(tài)下三種MEMS諧振器的偏移量,并討論諧振器尺寸對偏移量的影響。結(jié)果表明,動態(tài)下雙端固支梁式與方形角支撐式諧振器的偏移量較小,對諧振

3、器性能影響幾乎可以忽略不計;而圓形酒杯式諧振器的偏移量較大,對諧振器性能影響顯然不可忽略。
　　 根據(jù)上述的分析,重點研究動態(tài)下MEMS圓形酒杯式諧振器的性能情況。首先建立圓盤一電極模型,推導(dǎo)出MEMS圓形酒杯式諧振器Q值的具體計算公式,并利用該公式研究動態(tài)下諧振器性能影響情況,分析結(jié)果表明當(dāng)諧振器在動態(tài)環(huán)境下當(dāng)偏置電壓為4V時,偏移量為50％的Q值比無偏移量的減小了35.3％;接著探討與分析了錨點位置的選擇,給出了一種諧振器結(jié)

4、構(gòu)改進的構(gòu)想,可用于提高諧振器Q值;同時分析了工作時圓盤所受阻尼情況,推導(dǎo)出了MEMS圓形酒杯式諧振器圓盤間隙內(nèi)部空氣壓膜阻尼系數(shù)的計算公式,公式表明減小圓盤半徑和厚度、增大圓盤與電極間的距離都可以減小壓膜阻尼系數(shù),提高諧振器品質(zhì)因數(shù)。
　　 利用數(shù)值計算方法,對MEMS圓形酒杯式諧振器圓盤間隙內(nèi)部空氣的雷諾方程進行求解,通過MATLAB仿真得到相應(yīng)的間隙內(nèi)部真實的氣壓分布,進而分析由其引起的空氣阻尼以及對諧振器品質(zhì)因數(shù)的影響。