宽量程微加速度传感器的研制.pdf

摘 要 微机电系统(MEMS)是面向 21 世纪的高新科技，涉及到电子、机械、 材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，MEMS 在 21 世纪将成为最重要、最活跃的研究领域之一。而微加速度计是微机电系 统的一个很重要的方向，它广泛应用到惯性导航和制导、生物医疗、农业、 汽车工业、探矿测震、机器人、工业自动化、玩具等领域。本文设计了一种 以MEMS 技术为基础的电容式力平衡硅微加速度传感器，该传感器主要采 用SOI 和硅-玻璃键合技术制作，形成了玻璃-硅-玻璃的三明治结构。该传 感器能满足在大范围内加速度的变化测量。就此本文开展了以下主要研究工 作： 1、分析几种典型加速度传感器的原理，并比较其优缺点，结合现有实 验条件及课题宽量程的特点，提出电容式力平衡硅微加速度传感器。 2、对宽量程平衡式微加速度传感器的工作原理进行分析、研究，设计 传感器的结构，建立了数学的模型，确定使系统稳定必须满足的条件，对 系统安全必须满足的条件进行分析，根据提出的结构，从理论上对悬臂梁 的参数进行模拟分析选出合适的参数，并用Matlab 和Ansys 进行仿真，验 证所选参数的合理性，确定微加速度传感器的结构，并验证微加速度传感 器具有宽的工作量程。 3、研究硅单晶的晶向，对制作微加速度传感器的氧化、光刻、扩散、 键合、腐蚀和等离子刻蚀等MEMS 工艺进行了详细研究。提出微加速度传感 器工艺的设计方案，画出工艺流程图、模版，并进行制作，对出现的问题进 行分析和提出解决的方法。 III 4、完成了电容测试电路的研究。由于电容式微加速度传感器的电容值 很小，为了避免测量线的寄生电容对测试结果的干扰，测试电路采用增加一 个补偿电容的方法来消除寄生电容的影响，采用相关双采样电路和增量调制 器来抑制各种噪声。 本文提出的宽量程力平衡微加速度传感器，具有更宽的工作量程、线性 度较好等特点，具有广阔的应用前景。 关键词：微加速度传感器；工艺；电路 IV Abstract Micro-electro-mechanical System (MEMS) is an advanced technology and a new-developed compositive subject in the 21st century, related to the subject of electrical and mechanical engineering, material, manufacture, autocontrol, physics, chemistry, biology and so on. Micro-accelerometer is one of the most important and active research fields in MEMS. It is widely used for inertial navigation and inertial guidance as well as a number of other applications, such as biology medical treatment, agriculture, automobile industry, prospecting, seismology measurements, robotics, automatization of industry, toy and so on. A kind of capacitive micro-accelerometers with MEMS technology is designed in this paper. The sensor is formed with a sandwich structure of Si-glass-Si which is fabricated by