学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

硅微机械加速度开关技术研究

作　者: 贾孟军
导　师: 李昕欣
学　校: 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: MEMS 惯性-静电耦合原理冲击加速度开关阈值可调自锁
分类号: TP211.4
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 403次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

加速度开关是对惯性加速度敏感并在加速度超过某一阈值时，提供开关闭合动作的器件。利用MEMS技术研制的阈值加速度开关具有低功耗、低成本、过载能力高等优点，在惯性控制系统中有着广泛而重要的应用。针对冲击加速度测量要求，本文提出了一种基于惯性-静电耦合原理设计的阈值可调的冲击加速度开关。其开关阈值通过电压方式进行控制调节。这种工作方式还可以减小工艺容差对开关性能的影响。这种开关还具有自锁功能，在冲击加速度消失后仍能保持开关闭合状态。本文设计了一种硅悬臂梁型MEMS冲击加速度开关，其中低体电阻的悬臂梁用作开关的可动电极和敏感质量块。利用解析方法分析了开关的阶跃加速度输入响应和测量带宽限制以及开关响应时间。开关设计阈值范围1000～5000g，理论加速度容差小于10g，响应时间小于80us。在制造过程中采用体微机械技术制作这种开关阵列。研究了衬底转移技术中的SOI—玻璃键合的关键工艺，建立了SOI-玻璃键合原理的等效模型并提出一种提高SOI键合成功率的辅助键合的工艺设计。通过落槌冲击实验，测试了开关阈值可调功能和自锁功能。测试数据与模拟设计结果基本一致，实现了开关阈值可调功能。此外，本文还设计并制造了一种低量程、简单工艺的加速度开关。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-5
目录  5-7
第一章引言  7-26
  1.1 MEMS技术简介  7-12
    1.1.1 MEMS技术发展  7-8
    1.1.2 MEMS产品化与市场  8-10
    1.1.3 典型的MEMS工艺  10-12
  1.2 微机械加速度传感器  12-23
    1.2.1 加速度传感器工作原理  12-13
    1.2.2 几种常见类型的加速度传感器  13-15
    1.2.3.阈值加速度开关  15-23
  1.3 微机械加速度开关存在的问题  23-25
  1.4 本文的研究目的和工作内容安排  25-26
第二章微机械执行器中的惯性-静电耦合特性分析  26-42
  2.1 静电驱动的基本原理  26-36
    2.1.1 电流控制模式  28-30
    2.1.2 电压控制模式  30-33
    2.1.3 电压控制模式下电源内阻和串联电阻的影响  33-36
  2.2 电容式传感器的惯性-静电耦合分析  36-41
    2.2.1 惯性耦合作用影响  36-41
      2.2.1.1 静态加速度响应分析  36-38
      2.2.1.2 动态加速度响应分析  38-41
  2.3 小结  41-42
第三章阈值可调的MEMS冲击加速度开关设计  42-68
  3.1 开关结构及工作原理  42-43
  3.2 悬臂梁型加速度开关特性分析  43-54
    3.2.1 开关静态特性分析  44-47
      3.2.1.1.悬臂梁的弹性系数分析  44-45
      3.2.1.2.静电驱动下悬臂梁小形变近似  45-46
      3.2.1.3.开关吸合(Pull-in)电压和闭合状态保持电压的分析  46-47
    3.2.2 开关动态特性分析  47-49
    3.2.3 开关瞬态特性分析  49-54
      3.2.3.1.无阻尼条件下,开关加速度输入响应解析表示  50-52
      3.2.3.2 开关响应时间分析  52-54
  3.3 开关特性的模拟与优化设计  54-64
    3.3.1 基于有限元模拟的开关静态吸合模型  55-56
    3.3.2 系统级模型  56-64
      3.3.2.1 开关的瞬态响应过程  56-59
      3.3.2.2 加速度开关阈值容差  59-60
      3.3.2.3 开关性能的影响因素分析  60-64
  3.4 加速度开关阵列器件结构设计  64-67
    3.4.1 压迫式接触(Press-on)结构设计  64-66
    3.4.2 交叉轴寄生效应  66
    3.4.3 抗过载能力  66-67
  3.5 小结  67-68
第四章微机械开关阵列制作和封装  68-82
  4.1 微机械阈值加速度开关制作工艺流程  68-70
  4.2 关键工艺和工艺参数优化  70-81
    4.2.1 SOI材料选择  70-71
    4.2.2 阳极静电键合问题与解决  71-78
      4.2.2.1 阳极静电键合原理  71-73
      4.2.2.2 SOI-玻璃阳极静电键合原理分析  73-74
      4.2.2.3 键合过程中的气体放电  74-77
      4.2.2.4 SOI-玻璃阳极静电键合技术改进  77-78
    4.2.3 SiO_2掩埋层刻蚀技术改进  78-81
  4.3 微机械阈值加速度开关的封装  81-82
第五章阈值可调MEMS冲击加速度开关的测试技术  82-89
  5.1 开关静电驱动电压测试  82-83
  5.2 开关冲击实验测试  83-88
    5.2.1 带缓冲垫的落槌系统设计  84-86
    5.2.2 冲击实验测试结果  86-88
  5.3 小结  88-89
第六章一种低成本、低量程的微机械加速度开关  89-101
  6.1 机械开关的瞬态响应特性  89-91
  6.2 机械加速度开关结构设计  91-99
    6.2.1 机械加速度折叠梁弹性系数计算  92-94
    6.2.2 开关的振动模态  94-96
    6.2.3 开关阻尼系数特性分析与设计  96
    6.2.4.交叉轴寄生效应和抗过载能力  96-99
  6.3 机械加速度开关工艺流程  99-100
  6.4 小结  100-101
第七章总结  101-103
参考文献  103-109
发表的论文与申请的专利  109-110
个人简历  110-111
致谢  111-112

硅微机械加速度开关技术研究

内容摘要

全文目录

相似论文