[小学教育]MEMS技术 第四讲 电子零件原理2.ppt

MEMS和微系统设计 课程内容 MEMS概述及MEMS设计的概述 工艺简要回顾 系统设计、工艺设计及版图设计 主要的机械、电子元件及其设计基础 多域耦合设计：以机电耦合为例子 器件性能的估计 简单的其他域的元件及其简要设计要点 设计实例 第4讲主要内容 (3) 1、弹簧设计原理及计算例子 2、薄膜设计原理及计算例子 3、电容设计原理及计算例子 4、电阻设计原理及计算例子 5、压电模型 电容敏感原理 式中 A为极板面积 为真空介电常数 为极板间介质的相对介电常数 当介质为空气时， ； 为两极板间距离 间隙变化型电容式微传感器 略除高阶无穷小项，得 采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线 性： 在小位移情况下，外加作用和成比例关系，可见电容的倒数差及电容的差除和都与输入作用力成线性关系。 式(2-14)表明，用电容的差除和表达传感器的性能，其输出还要受到介质介电常数的影响。 式(2-15)表明电容差除和只受电容极板间隙和间隙变化的影响。目前，硅电容变送器普遍采取式(2-15)的方法来描述传感器的性能。 其他的电容变化形式 变面积电容器 两种电容变化形式的变化量对比 （电容原值、导线的电容值、电容变化值） Matched Air-Gap Reference Capacitors Simple Capacitor Divider (con.) Capacitor Divider With Differential Excitation Improved Capacitive Divider (cont.) Parasitic Capacitances Surface micromachined z-axis parallel-plate capacitor Equivalent circuit Cpp (x): nominal || plate sense capacitor Cf1 (x): fringe capacitance (varies with plate displacement) Cf2 :fringe capacitance between upper plate (connected to anchor plane) and lower plate …slight dependence on x Cpu :parasitic capacitance from upper plate to substrate Cpl : parasitic capacitance from lower plate to substrate Velocity Sensing Fundamental current-voltage relationship for a time-varying capacitor: Consider special case: v=vp =constant …used in high-quality capacitance microphones Velocity Sensing (cont.) Sense capacitor’s time variation: Parallel-plate sense capacitor with gap go : Harmonic motion: Some Numbers Surface micromachined capacitor: Is ADL Splitting Electrons? At V+ =5V, the charge on the sense capacitor is: qs =c+ v+ =(1000fF)(5V)=5000fC Number of electrons at Minimum detectable change in sense charge: Minimum detected change in number of electrons: 变间隙电容驱动器的基本理论Basic physics of Electrostatic Actuation Two ways to change the energy: 1.Change the charge q