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微加速度传感器的结构特性与仿真研究

马淑敏  
【摘要】:微机械系统(MEMS)以其微型化、集成化等优点,在汽车工业、生物医学、信息、军事和航天工程等领域具有极为广泛的应用和广阔的前景。然而,传统的研究微机电系统的方法一般是在对材料进行研究的基础上,分析器件的结构以及工艺过程,制备器件之后再检测器件的性能,这一过程既延长了研发时间,又增加了研发成本。进行计算机辅助设计能够有效地缩短研发时间,降低成本,在计算机上模拟器件制作工艺的工艺过程,生成三维模型,进行性能仿真这三个步骤可以同时进行。目前,国内关于用计算机辅助设计方法进行传感器研究的相关文献较少,这种研究方法还不太完善。 本文介绍了微机电系统的应用与发展以及微机电系统计算机辅助设计流程,该流程仅需通过二维掩膜板的结构设计、规划布局与工艺流程的设计生成三维模型,从材料数据库中提取元器件材料特性将其添加进入几何模型从而生成完整的三维实体模型,划分网格进行多物理场耦合分析以及系统级仿真分析与模拟;此外,对半导体制造加工工艺进行了简单介绍。 本文以研究路线较为成熟的加速度传感器为例,在研究了电容式加速度传感器工作原理之后,选择了变极距式电容加速度计,并利用专业计算机仿真软件IntelliSuite对电容式加速度传感器的两类敏感结构进行建模分析研究。确定了传感器建模分析的流程,完成了器件敏感结构的版图设计,进行了悬臂梁结构和梳齿式结构电容式加速度传感器敏感结构的静力学和动力学仿真分析。 比较了单梁长度、宽度、厚度对器件结构的影响,从而优化器件的性能。结果表明:可以通过增加梁长、减小宽度和厚度来满足提高加速度传感器灵敏度的需求。通过比较不同悬臂梁尺寸结构下弹簧振子的形变,得出了在质量块尺寸一定的情况下悬臂梁的尺寸的最优方案,并在此敏感结构的基础上分析了阻尼孔的数目与分布情况对器件力学性能的影响,为实际器件制作过程选择材料以及结构的选择奠定了基础。


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