新型柵結(jié)構(gòu)雙向MEMS慣性傳感器研究.pdf

1、微電子機(jī)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，其中以加速度計為代表的MEMS 傳感器是目前應(yīng)用最為廣泛的MEMS 器件。電容式MEMS 加速度計具有靈敏度高、溫度系數(shù)小、功耗和成本低等優(yōu)點，在汽車工業(yè)、消費類產(chǎn)品、石油探測、導(dǎo)航等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用。
　　 對電容式加速度計的基本原理、基本結(jié)構(gòu)和基本檢測原理進(jìn)行了分析；比較了電容式MEMS 器件的幾種主要檢測方式，選用了基于變面積檢測原理的柵型結(jié)構(gòu)作為檢測

2、電容結(jié)構(gòu)；分析了加速度計的氣體阻尼，證明工作在滑膜阻尼狀態(tài)下的柵型結(jié)構(gòu)器件具有更小的氣體阻尼，可以有效提高器件的分辨率；分析了靜電力對電容式器件的影響，說明柵型結(jié)構(gòu)的電容式加速度計可以通過提高檢測電壓來提高器件的分辨率。
　　 根據(jù)上述的理論分析設(shè)計了一個基于柵型檢測電容結(jié)構(gòu)的雙軸電容式MEMS 加速度計，主要由支撐梁、連接梁、帶有柵型檢測電極的質(zhì)量塊、玻璃襯底和淀積在玻璃襯底上的鋁檢測電極組成。設(shè)計了阻尼調(diào)整梳齒，用來調(diào)節(jié)器件

3、的阻尼特性；在器件的敏感運動方向上設(shè)計了沖擊保護(hù)結(jié)構(gòu)，保護(hù)器件免受大的沖擊的破壞。
　　 使用有限元分析軟件ANSYS 對設(shè)計的加速度計進(jìn)行了分析：通過模態(tài)分析證明了加速度計的敏感運動方向和設(shè)計要求相一致；通過靜態(tài)靈敏度分析證明了加速度計在x-軸和y-軸上具有幾乎相同的靈敏度；通過強(qiáng)度分析證明加速度計可以承受1000g 加速度信號的沖擊；通過橫向效應(yīng)分析證明了器件的橫向效應(yīng)近似為0。
　　 由于電容式MEMS 器件的小尺

4、寸特性，電容邊緣效應(yīng)對電容式MEMS 器件具有十分重要的影響，對柵型電容和平行板電容的邊緣效應(yīng)進(jìn)行了分析比較。利用電磁場分析軟件ANSOFT-Maxwell分析了電容邊緣效應(yīng)對柵型結(jié)構(gòu)電容值的影響，包括柵型電容隨著電容極板長度、寬度、交疊寬度、極板厚度、極板間距、柵型條密度變化時的變化情況，結(jié)果表明：邊緣效應(yīng)會引起柵型電容隨交疊長度和寬度的非線性變化；柵型電容會隨著柵型條寬度和極板厚度增加而增加；相同交疊面積下增大柵型條密度可以提高靈敏

5、度，但是會降低器件線性度。此外結(jié)合設(shè)計的加速度計器件的結(jié)構(gòu)，對邊緣效應(yīng)對該器件的影響進(jìn)行了分析。設(shè)計了雙軸MEMS 加速度計的版圖；介紹了MEMS 器件的主流工藝；根據(jù)體硅工藝，設(shè)計了加速度計制作的工藝流程，并對主要的工藝進(jìn)行了介紹；分析了DRIE 工藝引起的微負(fù)載效應(yīng)，并針對這一效應(yīng)對器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)；制作了雙軸MEMS 加速度計，證明了器件工藝設(shè)計的可行性；對器件進(jìn)行了初步的靜態(tài)測試，測得器件在x-軸和y-軸的電容靈敏度分別為0.