基于氮化鋁的壓電諧振式MEMS加度計(jì)研究.pdf

1、本論文提出了一種基于氮化鋁材料的壓電諧振式MEMS加速度計(jì)，包括理論整理與分析，有限元仿真與優(yōu)化，加工和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。傳感器基于壓電驅(qū)動(dòng)的DETF（雙端音叉）諧振器。諧振器的諧振梁上覆蓋了氮化鋁壓電薄膜，壓電薄膜上端沉積特定形狀的金屬電極，將金屬電極以及摻雜硅作為兩極施加激勵(lì)信號(hào)，可以完成對(duì)諧振器的驅(qū)動(dòng)。加速度計(jì)的設(shè)計(jì)中也采用了兩級(jí)柔性杠桿，用于放大質(zhì)量塊所產(chǎn)生的慣性力，大幅增加諧振器的靈敏度，并通過(guò)中心對(duì)稱(chēng)的布置結(jié)構(gòu)，使得在最優(yōu)利用空間的

2、同時(shí)，進(jìn)一步提升諧振器的靈敏度。
　　諧振式加速度計(jì)被置于室溫以及4mTorr的真空度下，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得左端諧振器的諧振頻率為140.744kHz，右端諧振器的諧振頻率為140.786kHz。在-1g至1g的范圍內(nèi)，左側(cè)諧振器的靈敏度為13.6Hz/g，右側(cè)諧振器的靈敏度為14.8Hz/g，器件靈敏度為28.4Hz/g。相比之前報(bào)道過(guò)的最佳性能，本設(shè)計(jì)的絕對(duì)靈敏度（Hz/g）提高了57％，相對(duì)靈敏度(ppm)提高了267％。<

3、br>　　本論文還針對(duì)傳統(tǒng)“單端驅(qū)動(dòng)”的DETF諧振器進(jìn)行了優(yōu)化，提出了“雙端驅(qū)動(dòng)”模式，相比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式，其諧振時(shí)的相位變化增加了10.5°/190％，平面內(nèi)的振幅增加了35％，平面外振幅的增加被限制在11％。
　　第一章介紹了MEMS加速度計(jì)的發(fā)展歷史、趨勢(shì)、種類(lèi)，說(shuō)明了各類(lèi)型器件的原理與特點(diǎn)。接著通過(guò)列舉具有代表性的典型設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了靜電與壓電式MEMS諧振式加速度計(jì)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并基于目前MEMS加速度計(jì)的發(fā)展與研

4、究趨勢(shì)，確定了將基于氮化鋁材料的壓電諧振式MEMS加速度計(jì)作為研究方向。
　　第二章介紹了基于氮化鋁的壓電諧振式MEMS加速度計(jì)的設(shè)計(jì)，整理并總結(jié)了1.計(jì)算諧振器諧振頻率、靈敏度的數(shù)學(xué)模型，2.以壓電方式驅(qū)的加速度計(jì)諧振器的設(shè)計(jì)方法，3.計(jì)算多級(jí)柔性杠桿放大因子的數(shù)學(xué)模型，基于整理與總結(jié)結(jié)果對(duì)諧振器、驅(qū)動(dòng)電極以及多級(jí)柔性杠桿進(jìn)行了優(yōu)化，并通過(guò)COMSOL軟件進(jìn)行了仿真，完成了加速度計(jì)的整體設(shè)計(jì)。
　　第三章介紹了用于本加速度

5、計(jì)加工的PiezoMUMPs工藝流程，包括8個(gè)主要步驟與用于加工加速度計(jì)的5張掩膜版。
　　第四章介紹了用于本加速度計(jì)測(cè)試的設(shè)備，儀器與方法。
　　第五章展示了本加速度計(jì)的各項(xiàng)性能測(cè)試結(jié)果，包括-1g至1g加速度下靈敏度的靜態(tài)靈敏度測(cè)試，非線性測(cè)試，溫度漂移測(cè)試，真空與大氣壓下諧振信號(hào)的對(duì)比測(cè)試。
　　第六章在傳統(tǒng)的諧振器“單端驅(qū)動(dòng)”的模式下，提出了一種新型的DETF諧振式驅(qū)動(dòng)模式，完成新諧振器的設(shè)計(jì)、加工以及測(cè)試。<