電容式微加速度計的熱穩(wěn)定性研究.pdf

1、電容式微加速度計是一種基于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術的加速度傳感器，在物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、慣性導航等領域均有重要應用。電容式微加速度計的熱穩(wěn)定性是指電容式微加速度計的性能隨溫度變化而保持恒定的能力。零位溫漂和刻度因子溫漂是熱穩(wěn)定性的兩個主要特征參數(shù)，它們分別表征了零位與刻度因子的溫度敏感特性。熱穩(wěn)定性嚴重影響電容式微加速度計的測量精度，是決定其能否應用于慣性導航等高端精密系統(tǒng)的關鍵因素之一。因此，建立電容式微加速度計的熱穩(wěn)定性的理論模型，

2、尤其是解析模型，并系統(tǒng)、深入的分析其中的關鍵影響因素，對于熱穩(wěn)定性的設計與提高具有非常重要的理論和工程意義。
　　電容式微加速度計熱穩(wěn)定性的解析建模主要涉及兩方面的基礎工作:①建立MEMS芯片粘接結構的熱變形的解析模型，而芯片粘接也是許多MEMS器件采用的封裝工藝，因此，芯片粘接結構的熱變形的解析模型對于MEMS器件的熱穩(wěn)定性研究具有普遍意義;②建立電容式微加速度計的零位與刻度因子的解析計算方法。
　　本文首先研究了芯片粘接

3、結構的熱變形的解析模型，然后研究了零位與刻度因子的解析計算方法，從而建立了電容式微加速度計熱穩(wěn)定性的解析模型。在此基礎上，分析了影響電容式微加速度計熱穩(wěn)定性的關鍵因素，提出了可以顯著提高熱穩(wěn)定性的改進結構，通過實驗驗證了改進結構的有效性。
　　本文具體的研究內(nèi)容、方法和主要成果如下:
　　為了建立芯片粘接結構的熱變形的解析模型，本文基于變分原理推導出了熱變形的高階微分方程組，并求出了方程組的解析解。模型具有兩個優(yōu)點:①通過將

4、結構的剪切變形處理為二階剪切變形，實現(xiàn)了熱變形的精確計算;②對于模型的高階微分方程組，通過齊次化橫向位移，提出了基于傅里葉級數(shù)的解析求解方法，因而提高了計算效率。利用解析模型分析了粘接界面熱應力以及芯片襯底的熱變形，分析結果表明:界面熱應力主要受粘接膠彈性模量的影響，襯底熱變形則同時受到粘接膠彈性模量和襯底厚度的影響。
　　根據(jù)電容式微加速度計的檢測原理，本文推導出了分別基于平板電容模型和保角映射電容模型的零位與刻度因子的解析計算

5、方法。平板電容模型能夠得到零位與刻度因子的解析公式，便于進行數(shù)值計算和定性分析;而保角映射電容模型則具有更高的計算精度，可以進行定量分析。
　　基于芯片粘接結構的熱變形的解析模型、零位與刻度因子的計算方法，本文建立了電容式微加速度計熱穩(wěn)定性的兩種解析模型，分別稱為平板熱穩(wěn)定性模型和保角映射熱穩(wěn)定性模型。平板熱穩(wěn)定性模型具有零位溫漂和刻度因子溫漂的解析公式，能夠清晰的揭示影響熱穩(wěn)定性的關鍵因素，而保角映射熱穩(wěn)定性模型雖不具有解析公式

6、，但是計算精度更高。本文建立的熱穩(wěn)定性模型計算效率高，解決了熱穩(wěn)定性的熱-機-電耦合特性導致的分析復雜、效率低的問題。利用熱穩(wěn)定性模型，深入分析了熱穩(wěn)定性的關鍵影響因素。分析結果表明:零位溫漂主要是由熱變形導致的，零位溫漂的大小與制造誤差、質量塊錨點的位置、粘接膠彈性模量及襯底厚度相關;刻度因子溫漂包含兩部分，第一部分主要由硅彈性模量的溫度系數(shù)決定，而第二部分是由熱變形導致的;刻度因子溫漂的兩部分的正負性相反，并且第一部分的絕對值小于第

7、二部分;刻度因子溫漂的第二部分的大小與固定梳齒錨點的位置、大電容間隙與小電容間隙的比值、梳齒寬度、粘接膠彈性模量及襯底厚度相關。
　　根據(jù)電容式微加速度計熱穩(wěn)定性的理論分析結果，本文提出了可以顯著提高熱穩(wěn)定性的改進結構。改進結構通過將質量塊錨點安放于結構中心區(qū)域，以減小零位溫漂;通過減小固定梳齒錨點在敏感方向的長度，以減小刻度因子溫漂的第二部分;通過相互抵消刻度因子溫漂的第一部分和第二部分，以實現(xiàn)刻度因子溫漂的被動補償。本文制造了