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一种微梁直拉直压的微机械压阻式加速度传感器

作　者: 黄树森
导　师: 王跃林；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: 微机械技术压阻式加速度传感器微梁直拉直压灵敏度谐振频率
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

本论文主要论述了一种新型的微梁直拉直压的硅微机械压阻式加速度传感器的设计、制作和测试。该传感器同时具有较高灵敏度和谐振频率。论文的第一章对微电子机械系统及其器件设计、制造技术和应用等发展状况进行了综述，重点综述了微机械加速度传感器的研究进展。第二章详细论述了一种新型的微梁直拉直压硅微机械压阻式加速度传感器的工作原理。传感器芯片由中间支撑梁、质量块、两只质量腿和两只微梁组成。由于质量块和质量腿结构的特殊设计，工作时微梁直拉或者直压。力学分析表明由于三梁结构和微梁的直拉直压工作方式，该设计能同时提高传感器的灵敏度和谐振频率。有限元模拟验证了力学分析。第三章论述结构的优化设计，给出了传感器的结构尺寸优化和基于优化结果的不同量程传感器的设计规则。采用这个规则，可以设计量程为1-25000g的加速度传感器，并根据该设计规则形成了简便实用的设计程序。第四章介绍器件工艺制作。由于采用SOI硅片和深反应离子刻蚀技术，传感器的制作工艺比较简单可行。此外还给出了传感器的简单封装工艺。本论文的第五章给出了制作的量程为2.5g的传感器的测试结果。传感器静态灵敏度为104.4mV／5V／g，谐振频率为1115Hz，均跟设计值非常吻合。

全文目录

摘要  4-6
第一章引言  6-22
  1.1 微电子机械系统  6-14
    1.1.1 MEMS器件和应用  7-8
    1.1.2 MEMS制造技术  8-12
      1.1.2.1 体微机械制造技术  8-9
      1.1.2.2 表面微机械制造技术  9-11
      1.1.2.3 铸模技术  11-12
    1.1.3 总结和展望  12-14
      1.1.3.1 MEMS技术在传感器领域应用的反思  12-13
      1.1.3.2 MEMS技术展望  13-14
  1.2 微机械加速度传感器  14-18
    1.2.1 微机械加速度传感器原理  14-16
    1.2.2 压阻式微机械加速度传感器  16-18
    1.2.3 电容式微机械加速度传感器  18
  1.3 本论文研究内容  18-19
  参考文献  19-22
第二章传感器设计原理  22-41
  2.1 一种微梁直拉直压的压阻式加速度传感器  22-23
  2.2 结构的力学模型分析  23-33
    2.2.1 传感器灵敏度  28-29
    2.2.2 过载保护结构设计  29
    2.2.3 传感器自由振动频率  29-31
    2.2.4 传感器结构的阻尼考虑  31-32
    2.2.5 一个设计实例  32-33
  2.3 传感器结构的有限元模拟  33-35
    2.3.1 微梁的直拉直压条件的有限元模拟修正  33-34
    2.3.2 传感器静态力学特性的有限元模拟  34
    2.3.3 传感器结构的动态特性的有限元模拟  34-35
    2.3.4 有限元模拟结果和力学模型分析结果的比较  35
  2.4 传感器的横向效应分析  35-37
    2.4.1 X方向横向效应  35-36
    2.4.2 Z方向横向效应  36-37
    2.4.3 传感器的横向效应总结  37
  2.5 传感器的热分析  37-40
    2.5.1 稳态温度分布分析  38-39
    2.5.2 瞬态热分析  39-40
  2.6 本章总结  40
  参考文献  40-41
第三章传感器结构优化和设计规则  41-48
  3.1 传感器结构优化  41-43
  3.2 不同量程传感器的设计规则  43-46
  3.3 传感器设计规则的程序化  46-47
  参考文献  47-48
第四章传感器制作  48-53
  4.1 传感器芯片制作工艺流程  48-50
  4.2 背面DRIE刻蚀工艺  50-51
  4.3 下盖板制作工艺  51-52
  4.4 传感器封装  52
  参考文献  52-53
第五章传感器测试  53-57
  5.1 传感器静态特性测试  53-54
  5.2 传感器动态特性测试  54-55
    5.2.1 传感器低频线性输出特性测试  54-55
    5.2.2 传感器自由振动频率测试  55
  5.3 传感器噪声测试  55-56
  5.4 传感器测试结果总结  56
  参考文献  56-57
第六章结论  57-58
  参考文献  57-58
致谢  58-59
个人简历  59
硕士期间发表文章  59

一种微梁直拉直压的微机械压阻式加速度传感器

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