MEMS諧振式電荷傳感器.pdf

1、本論文提出了一種帶有柔性微杠桿的MEMS諧振式電荷傳感器，包括理論分析、仿真優(yōu)化、加工和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。傳感器基于DETF(Double-ended Tuning Fork)諧振器，諧振器工作在反向諧振模態(tài)，通過(guò)電容進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)，在室溫和40 mTorr的真空度下，測(cè)得諧振頻率為139 kHz，Q值大于4900。引入柔性微杠桿的目的在于放大輸入力，從而增大電荷傳感器的靈敏度，通過(guò)理論和有限元仿真分析，得到柔性微杠桿的放大倍數(shù)大于8。電荷輸入

2、極板與微杠桿的輸入端偶合成電容，當(dāng)在電荷輸入極板施加電荷時(shí)，電容極板間產(chǎn)生靜電力，經(jīng)過(guò)微杠桿的放大和變向后壓在DETF的梁上，導(dǎo)致梁剛度的減小，從而引起諧振頻率的下降。電荷的輸入量與諧振頻率的變化量之間呈二次方關(guān)系，靈敏度為1.3×10-3 Hz/fC2，分辨率為21fC。試驗(yàn)結(jié)果證明，引入的兩柔性微杠桿在沒(méi)有引入電路噪聲的情況下，有效地提高了傳感器的靈敏度，同時(shí)，本論文還對(duì)諧振器的靜電剛度軟化和非線性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析。
　　

3、為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)電荷傳感器的高分辨率和寬動(dòng)態(tài)范圍，本論文首次提出了采用靜電式驅(qū)動(dòng)器作為靈敏度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)不同的電荷輸入量，采用不同的靈敏度，既可以把初始靈敏度設(shè)計(jì)的很高，實(shí)現(xiàn)高分辨率，又可以在高輸入電荷量的情況下，采用低靈敏度，避免因電荷量過(guò)高而引起非線性，甚至器件的損壞。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，電荷傳感器的最高靈敏度為1.03×10-2 Hz/fC2，分辨率達(dá)到了1fC以下，當(dāng)在驅(qū)動(dòng)器上施加40 V的直流電壓時(shí)，可調(diào)電容的變化量為9.7f

4、F，傳感器的靈敏度被調(diào)節(jié)了91.6％。
　　本論文共分六章，各章內(nèi)容分述如下：
　　論文第一章介紹了MEMS諧振器的定義、分類和應(yīng)用等概況，詳細(xì)推導(dǎo)了靜電式諧振器的力學(xué)模型和等效電路模型，同時(shí)也介紹了靜電式諧振器的常見(jiàn)類型和性能參數(shù);之后總結(jié)了電荷傳感器的研究現(xiàn)狀，以及MEMS諧振式電荷傳感器的優(yōu)勢(shì)和研究意義;最后系統(tǒng)地總結(jié)了本論文的工作。
　　論文的第二章提出了器件的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)器件進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，包括微杠

5、桿的放大倍數(shù)、諧振器的計(jì)算分析和傳感器的響應(yīng)等。之后通過(guò)有限元方法對(duì)器件的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化，確定了器件的具體參數(shù)。
　　論文的第三章介紹了器件的微加工過(guò)程，本論文中的器件都是基于SOI(Silicon-onInsulator)工藝，采用了兩種不同的方法釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)，即背部釋放和前部釋放。
　　論文的第四章介紹了器件的測(cè)試方法，搭建了器件測(cè)試所需要的真空環(huán)境，并對(duì)器件進(jìn)行了全面的測(cè)試，包括諧振器的性能，諧振器的靜電剛度軟