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微机械电容式传感器及其相关特性研究

董林玺  
【摘要】: 用体硅微机械工艺制作的梳齿电容式传感器有制作工艺简单、温度系数小、稳定性好、阻尼系数容易控制等优点,因而应用广泛。 为了检测电容式传感器的微小电容变化,采用某种形式的偏置交流信号是常用的方法。前人在研究外界加速度信号对传感器的作用时,假定驱动信号产生的静电力作用在平行梳齿电容极板上,但是,在用DRIE工艺对硅进行刻蚀时会产生侧蚀效应,从而得到的梳齿电容有一定的倾斜角度。本文深入研究了梳齿小角度倾斜的电容式传感器,不同驱动电容配置下受到脉冲加速度信号和阶跃加速度信号作用时的响应特性,得到了在不同驱动电容配置,不同倾斜角度情形下的临界脉冲可持续时间和最大阶跃加速度信号随驱动电压的变化曲线。分析了电容式传感器梳齿的倾斜对传感器电容、灵敏度、静电力和静电弹簧常数的影响。传感器所能承受的对应不同倾斜角度的最大脉冲加速度或最大阶跃加速度可以通过文中建立的分析模型得到,这对梳齿电容式传感器的设计可以提供参考。用有限元工具ANSYS中的电场模块,分析了倾斜电容极板的电场边缘效应。分析了文中所用的电容和静电力模型的计算值和模拟值间的误差。采用不同的DRIE工艺参数,并采用结构保护措施,实验研究了减小电容极板倾斜角度的工艺方法。 前人在研究驱动信号对传感器的静电力效应时,用偏置电压极性为正—负配置的驱动信号进行研究。本文通过改变偏置电压极性分别为正—正、负—正、负—负,并和偏置电压极性为正—负配置时进行对比,深入研究了电容式传感器在不同偏置电压极性下,驱动信号产生的静电力对传感器检测和工作性能的影响。 对于横向运动的体微机械器件,其周围空气表现为滑膜阻尼。本文基于滑膜阻尼的两个模型,通过改变振子与衬底的间距、振子的厚度、刻透的栅槽的宽度、没有刻透的栅槽的深度等参数,研究了这些参数对硅—玻璃键合工艺制作的体硅微机械电容式传感器阻尼特性的影响。并用建立的传感器有限元分析模型,分析了计算值和实验值间的误差来源。 用表面微机械制作的电容式传感器,其敏感质量较小、热机械噪声大、分辨率不 摘要 高。而改用体硅微机械制作可以改善这些问题。本文设计、模拟并制作了一种基于硅 一玻璃键合工艺的U型梁支撑的微机械电容式加速度计。该传感器制作工艺简单, 灵敏度高,支撑梁采用U型,减小了刻蚀后的残余应力,用玻璃作为衬底,减小了 衬底和硅可动质量块间的寄生电容,且把传感器芯片和用IC裸片制作的接口电路集 成在一起,提高了封装密度,减小了传感器系统的噪声,为采用MCM技术制作电容 式加速度传感器模块打下了基础。


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