微機械加速度計專題1

1、電容式微機械加速度計的研究電容式微機械加速度計的研究主要內容主要內容n第一部分：研究背景與意義第一部分：研究背景與意義n第二部分：工作原理與設計第二部分：工作原理與設計n第三部分：制作工藝第三部分：制作工藝n第四部分：測試結果第四部分：測試結果n第五部分：總結第五部分：總結研究背景與意義研究背景與意義n加速度計是用來測量加速度的儀器加速度計是用來測量加速度的儀器n壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器n壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器n電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器n伺服式加速度傳感器伺服式加速度傳感器研究背景與意義研究背景與意義n地震檢波器地震檢波器n汽車汽車：安全氣囊、防抱死系統(tǒng)n

2、游戲控制游戲控制n圖像自動翻轉圖像自動翻轉nGPS導航系統(tǒng)死角補償導航系統(tǒng)死角補償n計步器功能計步器功能n防手抖功能防手抖功能n閃信功能閃信功能n硬盤保護硬盤保護研究背景與意義研究背景與意義n靈敏度靈敏度n分辨率分辨率n帶寬帶寬n量程量程n非線性度非線性度n溫度響應溫度響應n橫向靈敏度橫向靈敏度n穩(wěn)定性穩(wěn)定性研究背景與意義研究背景與意義n電容式微機械加速度計的優(yōu)點：電容式微機械加速度計的優(yōu)點： 靈敏度高、穩(wěn)定性好、溫度系數小、可通過靜電恢復力使其工作在力平衡狀態(tài)下n變面積式的電容式微機械加速度計的優(yōu)點：變面積式的電容式微機械加速度計的優(yōu)點：可以保證輸出電壓與加速度之間的線性度第二部分：工作原理

3、與設計第二部分：工作原理與設計n一、電容式微機械加速度計的工作原理一、電容式微機械加速度計的工作原理n二、電容式微機械加速度計的結構設計二、電容式微機械加速度計的結構設計電容式微機械加速度計梁結構的選取電容式微機械加速度計梁結構的選取n常見的梁：常見的梁：雙端固支直梁，折疊梁，蟹腳角形梁，蛇形梁和U形梁 nU形梁的優(yōu)點：形梁的優(yōu)點： （a）結構簡單，可通過DRIE的方法制作 （b）圓弧部分有利于結構中應力的釋放 （c）彈性系數對梁的厚度要求不高 （當梁的厚度與質量塊的厚度相同時， 系統(tǒng)的固有頻率和梁的厚度無關）U形梁的結構圖形梁的結構圖442322342436244226RRLRLRRLLRL

4、EIkz彈性系數：彈性系數： R=37.5m，L=1170m，W=15m，梁的厚度H=196m U形梁的具體尺寸：形梁的具體尺寸： 電容式微機械加速度計示意圖電容式微機械加速度計示意圖電容式微機械加速度計的工作原理電容式微機械加速度計的工作原理n在質量塊上制作的柵形可動電極，與其下方的在質量塊上制作的柵形可動電極，與其下方的玻璃襯底上制作的叉指形固定電極一起構成一玻璃襯底上制作的叉指形固定電極一起構成一對差分電容對差分電容 電容式微機械加速度計的工作原理電容式微機械加速度計的工作原理n當當X軸方向有加速度存在時，質量塊在慣性軸方向有加速度存在時，質量塊在慣性力的作用下發(fā)生位移，引起差分電容的變

5、力的作用下發(fā)生位移，引起差分電容的變化，通過檢測電容的變化，來確定系統(tǒng)所化，通過檢測電容的變化，來確定系統(tǒng)所受到的加速度大小受到的加速度大小微機械加速度計的動力學模型微機械加速度計的動力學模型 n系統(tǒng)的固有頻率為系統(tǒng)的固有頻率為 n代入具體參數得代入具體參數得mkf2121140Hz 微機械加速度計的電學結構設計微機械加速度計的電學結構設計n柵形電極與叉指形電柵形電極與叉指形電極構成的差分電容大極構成的差分電容大小為小為 nX軸方向有一個加速軸方向有一個加速度度 時，質量塊在時，質量塊在X軸軸方向發(fā)生的位移為方向發(fā)生的位移為 00000021dyxnCCCakmax微機械加速度計的電學結構設計

6、微機械加速度計的電學結構設計n整個差分電容的變化為整個差分電容的變化為n代入數據得到加速度計的位移靈敏度為代入數據得到加速度計的位移靈敏度為n加速度計的電容靈敏度為加速度計的電容靈敏度為 00002122CkxmaCxxxCxCxC17109 . 18 . 9gmkmSd113001029. 18 . 92gFkxmCSC第三部分：制作工藝第三部分：制作工藝n一、微機械加工技術的分類一、微機械加工技術的分類n二、微機械加速度計制作的工藝流程二、微機械加速度計制作的工藝流程n三、制作工藝存在的問題及解決方法制作工藝存在的問題及解決方法 微機械加速度計制作的工藝流程微機械加速度計制作的工藝流程（a

7、） （b） （a）在硅片上腐蝕出）在硅片上腐蝕出可動部分的懸浮區(qū)域可動部分的懸浮區(qū)域（b）在玻璃片上制作）在玻璃片上制作叉指形的固定電極叉指形的固定電極 微機械加速度計制作的工藝流程微機械加速度計制作的工藝流程（c） （d） （c）硅片正面制作）硅片正面制作Al電極引線孔電極引線孔 （d）硅片和玻璃片鍵合）硅片和玻璃片鍵合 微機械加速度計制作的工藝流程微機械加速度計制作的工藝流程（e） （f） （e）在鍵合片的硅）在鍵合片的硅表面制作表面制作Al電極電極 （f）光刻加速度計）光刻加速度計結構圖形，利用結構圖形，利用Ion Beam刻蝕鍵合片正刻蝕鍵合片正面的二氧化硅面的二氧化硅微機械加速度計制

8、作的工藝流程微機械加速度計制作的工藝流程（g） （h） （g）厚膠光刻加速度）厚膠光刻加速度計結構圖形計結構圖形 （h）用深反應離子）用深反應離子刻蝕技術刻蝕硅來釋刻蝕技術刻蝕硅來釋放加速度計結構放加速度計結構 電容式微機械加速度計的顯微照片電容式微機械加速度計的顯微照片 DRIE過程中過刻蝕及保護的示意圖過程中過刻蝕及保護的示意圖 （a） 過刻蝕示意圖過刻蝕示意圖 （b） 采用金屬保護防止采用金屬保護防止過刻蝕的示意圖過刻蝕的示意圖 具體保護方法具體保護方法nU形梁結構下方制作與體硅相連的金屬層形梁結構下方制作與體硅相連的金屬層n柵形電極結構下方的玻璃襯底上制作有叉柵形電極結構下方的玻璃襯底

9、上制作有叉指形電極，不能直接通過制作金屬層的方指形電極，不能直接通過制作金屬層的方法來保護法來保護n在叉指形電極的引線焊盤處引出金屬引線在叉指形電極的引線焊盤處引出金屬引線與硅相連，該金屬引線分布在器件的劃片與硅相連，該金屬引線分布在器件的劃片槽內，劃片時可以把該引線劃斷，不會對槽內，劃片時可以把該引線劃斷，不會對叉指形電極產生影響叉指形電極產生影響DRIE的刻蝕效果（背面）的刻蝕效果（背面）（a）柵形電極過刻蝕后的）柵形電極過刻蝕后的SEM照片照片（b）柵形電極完全刻穿時的顯微照片）柵形電極完全刻穿時的顯微照片 微機械加速度計的幅頻特性曲線微機械加速度計的幅頻特性曲線在大氣中測得諧振頻率為在大氣中測得諧振頻率為845Hz、品質因子、品質因子Q值為值為169過刻蝕過刻蝕保護前保護前 微機械加速度計的幅頻特性曲線微機械加速度計的幅頻特性曲線在大氣中測得諧振頻率為在大氣中測得諧振頻率為1078Hz、品質因子、品質因子Q值為值為215.6 過刻蝕過刻蝕保護后保護后 該加速度計器件的分辨率該加速度計器件的分辨率 n假設此時加速度計的