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基于孔缝悬臂梁结构的新型压阻式硅微加速度传感器研究

作　者: 黄严峻
导　师: 陈子辰；梅德庆
学　校: 浙江大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: MEMS 压阻效应 孔缝悬臂梁 硅微加速度传感器
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 41次
引　用: 1次
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内容摘要


本论文以国家自然科学基金项目“基于蜘蛛振动感知机理的仿生多维微拾振构件及应用基础研究”(项目编号:50675193)为背景,基于MEMS主要加工技术提出了一种小量程的孔缝悬臂梁一质量块结构的新型压阻式硅微加速度传感器,通过理论分析、有限元仿真对传感器的结构设计和制作工艺进行了深入研究,并对传感器性能进行了实验验证。第一章,阐述了本论文的研究背景与意义,介绍了MEMs的主要加工技术和应用。对压阻式硅微加速度传感器的发展历程以及还存在的问题做了详细介绍。在此基础上提出论文的主要研究内容。第二章,深入分析了压阻效应,建立了无孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的力学模型,在此基础上进行了结构的应力分析、固有频率分析及阻尼分析,最终完成孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的参数设计。第三章,对孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的结构进行有限元仿真分析,包括静态分析、模态分析和谐响应分析,结果表明传感器结构设计合理。第四章,对孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的加工工艺流程和封装进行了研究。深入研究了加工过程中的关键工艺,设计出了工艺流程和加工版图,最后介绍了传感器的封装方式。第五章,完成对孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器性能的实验验证,对传感器的压阻、线性度、灵敏度以及系统噪声进行了测试,结果表明传感器性能符合设计要求。第六章,对本文的研究内容进行总结,并对未来的研究工作进行展望。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-7
ABSTRACT  7-12
1 绪论  12-26
  1.1 论文的研究背景与意义  12-15
  1.2 MEMS的主要加工技术  15-16
    1.2.1 体微机械加工  15
    1.2.2 表面微机械加工  15
    1.2.3 键合工艺  15-16
    1.2.4 LIGA技术  16
  1.3 MEMS技术应用  16-20
  1.4 压阻式微机械加速度传感器  20-24
  1.5 本论文的主要工作  24-25
  1.6 本章小结  25-26
2 孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工作原理和结构设计  26-41
  2.1 传感器的结构  26-28
  2.2 悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的工作原理  28-33
    2.2.1 单晶硅的压阻效应  28-32
    2.2.2 悬臂梁结构力学特性分析  32-33
    2.2.3 传感器的灵敏度  33
  2.3 悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的频率响应  33-38
    2.3.1 梁-质量块结构的固有频率  34-35
    2.3.2 传感器的空气阻尼模型  35-38
  2.4 孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的参数设计  38-40
  2.5 本章小结  40-41
3 孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器结构的有限元仿真分析  41-52
  3.1 引言  41
  3.2 静力学分析  41-47
    3.2.1 有限元建模  42-43
    3.2.2 应力分析  43-46
    3.2.3 应变分析  46-47
  3.3 模态分析  47-50
  3.4 谐响应分析  50-51
  3.5 本章小结  51-52
4 孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的制作工艺研究  52-67
  4.1 关键工艺研究  52-56
    4.1.1 压阻的形成  52
    4.1.2 KOH湿法腐蚀  52-54
    4.1.3 ICP刻蚀  54-55
    4.1.4 键合工艺  55-56
  4.2 工艺流程设计  56-60
  4.3 版图设计  60-62
  4.4 制作结果  62-63
  4.5 传感器的封装  63-66
  4.6 本章小结  66-67
5 孔缝悬臂梁压阻式硅微加速度传感器的标定和性能测试  67-76
  5.1 压阻参数测试  67
  5.2 加速度传感器的动态性能测试  67-74
    5.2.1 实验系统硬件配置  67-69
    5.2.2 传感器跟踪比对实验  69-71
    5.2.3 传感器线性度和灵敏度标定  71-74
  5.3 系统噪声实验  74-75
  5.4 本章小结  75-76
6 总结与展望  76-78
  6.1 全文总结  76
  6.2 工作展望  76-78
参考文献  78-83
作者简历  83

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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