MEMS技術(shù)電子零件原理學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1MEMS技術(shù)技術(shù)(jsh) 電子零件原理電子零件原理第一頁，共88頁。n簡單的其他域的元件及其簡要設(shè)計(jì)要點(diǎn)n設(shè)計(jì)實(shí)例第1頁/共87頁第二頁，共88頁。第2頁/共87頁第三頁，共88頁。第3頁/共87頁第四頁，共88頁。圖2-17電容式微傳感器的基本(jbn)結(jié)構(gòu) 平行(pngxng)板電容器的電容為AC0第4頁/共87頁第五頁，共88頁。0F/m108.85-1201間隙變化型：改變兩極板間隙面積變化型：改變形成電容(dinrng)的有效面積A介質(zhì)變化型：改變兩極間介質(zhì)的介電常數(shù) 第5頁/共87頁第六頁，共88頁。11CC利用泰勒(ti l)級(jí)數(shù)展開，由麥克勞林公式可得 nCC21第6

2、頁/共87頁第七頁，共88頁。2dSdCKCC這時(shí)傳感器的靈敏度和非線性誤差(wch)分別為：dd100%第7頁/共87頁第八頁，共88頁。01AC02ACACC2112101212CCCC(2-12)(2-13)(2-14)(2-15)第8頁/共87頁第九頁，共88頁。第9頁/共87頁第十頁，共88頁。第10頁/共87頁第十一頁，共88頁。 A example: calculate to C and the shift of CmmWire：L=1m, r=0.2mm, d=1mmgap=g=1Thickness=t=2finger length=L=100overlap length x=

3、75mm第11頁/共87頁第十二頁，共88頁。 ( )11111refoutrefrefoutrefoxrefzvvzz xjwcvvvccjwcjwc x Why modulate v(t)?Ideal buffer: cin=0第12頁/共87頁第十三頁，共88頁。NoImage第13頁/共87頁第十四頁，共88頁。000000000000112111222212outoutgVVVVAgxgxggAgxgVVxVVxgggmatched air-gap reference capacitoroffsetsignal第14頁/共87頁第十五頁，共88頁。Why modulate v+ an

4、d v- ?Ideal buffer: cin=0 ( )( )refoutrefrefzz xvvvzz xzz xImpedance divider with superposition:第15頁/共87頁第十六頁，共88頁。 1100110000200022cos. cos12122refrefoutrefrefoutoutzz xccxggxVVVVzz xccxggxxV xVVgxgx tx tx tVVVtwtwtgx tgg no offset!distortion第16頁/共87頁第十七頁，共88頁。0000ACgxACgx outz xz xVVVzz xzz xImped

5、ance divider with superposition:第17頁/共87頁第十八頁，共88頁。0000002222outgxgxVxxVVVVggggSimplify expression: No offset， 2x signal increase第18頁/共87頁第十九頁，共88頁。第19頁/共87頁第二十頁，共88頁。第20頁/共87頁第二十一頁，共88頁。 ssssssdvdcdqdic t v tc tv tdtdtdtdtspdCivdt第21頁/共87頁第二十二頁，共88頁。SssdCdCdCdxvdtdx dtdx0ssoxodCCdxgsinsinpsossospoo

6、V C xdCCiVVxttdtgg cosx txt第22頁/共87頁第二十三頁，共88頁。10012.5socfFgmvvV min6minminmin2.510010040 102.540outxxooutoutxVVvS xSmgvVvVxmVSmxpmIs this real?noise in buffer amp第23頁/共87頁第二十四頁，共88頁。World Record CapacitivePosition-Sense Resolution*Analog Devices ADRS-150 vibratory rate gyroscope John Geen ,Steve Sh

7、erman, John Chang, and Steve Lewis, IEEE J. Solid-State Circuits, 37, Dec. 2002, 1860-1866Full scale Corillis-induced displacement=20Sense capacitance 1000fFMinimum detectable capacitance change 12 zF =0.012 aFNominal sense gap = 1.6 m Minimum displacement: 16 fm ! * Surface micromachining class aud

8、io frequency band EE C245-ME C218 Fall 2003 Lecture 12第24頁/共87頁第二十五頁，共88頁。1971.6 10:3.125 10scelectron n,min21191.256060 100.41.6 10sssseqCVzFVzCqnq 第25頁/共87頁第二十六頁，共88頁。第26頁/共87頁第二十七頁，共88頁。,eW q gV qF g 第27頁/共87頁第二十八頁，共88頁。NoImage220222,2,geqgqq gWdgAAWq gqFgAWq gqgQVqACStored energy:Force (attracti

9、ve ,internal):Voltage:Independent of the gap!constant第28頁/共87頁第二十九頁，共88頁。200222!1,2,1122,VVeVstrong fuctionof gapgAAWq g VdVV dVVggWV gACFVVgggWV gAqVCVVg Find co-energy in terms of voltageVariation of co-energy with respect to gap yields v.s. force:Variation of co-energy with respect to voltage yie

10、lds chargeas expected第29頁/共87頁第三十頁，共88頁。 222222112222ePsigPsigPP sigsigPeDCP sigsig tCCFvVvtggVvtVV vtvtCVCFFfV vtggDC offsetneglect(small)第30頁/共87頁第三十一頁，共88頁。Net force on suspended center electrode is the difference neterelFFtFt 22222222PPPPPCF tVV v tvtVV v tvtgCF tV v tg第31頁/共87頁第三十二頁，共88頁。C o n

11、d u c t i v es t r u c t u r eelectrodeaAAaV orvVvValueAC or signal component (lower case variable subscript)DC Component (upper case variable: upper case subscript)第32頁/共87頁第三十三頁，共88頁。 1211111111:1:1ooCCAxxCxCdxdxddExpand the Taylor Series further 231112311oCCAxA xA xxd 12323111234;whereAAAddd Cond

12、uctivestructureelectrodeCx第33頁/共87頁第三十四頁，共88頁。2211111122dpPCCFVVvVVxx12211111 1112222111 1111111111small displacements: xd 11221222odPPoPPPPCFA xVV vvdCVV vvAV xAV xvA xvd11 1 resonance: dPQFQCxV vjkjkx1100:cossinThusVvtxxtParallel plate Capacitive Nonlinearity第34頁/共87頁第三十五頁，共88頁。221112311OeppCAkVVd

13、d211111111cossinoOOdpopowCCFVvwt Vxwtdd Drive force arising from the input excitation voltage at the frequency of this voltageProportional to displacement900 phase-shifted from drive, so in phase with displacement第35頁/共87頁第三十六頁，共88頁。1201221003111mememPmkkkkkWmmmkVAWWkdFrequency is now a function of

14、dc-bias Vp1第36頁/共87頁第三十七頁，共88頁。Can One Cancel Ke with Two Electrodes?0220222202222cossinOdPpowCCFVvw tVxw tdd NoImageSubtracts from the Fd1 term ,as expectedAdd to the quadrature term Kcs add, no matter the electrode configuration!第37頁/共87頁第三十八頁，共88頁。0000ACgxACgx outz xz xVVVzz xzz xImpedance divide

15、r with superposition:第38頁/共87頁第三十九頁，共88頁。 00000022220000222211221122outoutoutoutoutgxgxVxxVVVVggggdCdCf tVVVVdxdxCCf tVVVVggSimplify expression:Electrostatic force:第39頁/共87頁第四十頁，共88頁。NoImage 220022222200001coscos21cos2cos2coscos22cosoutoutoutoutoutoutoutcf tvwtvvvwtgcf tvwtv vwtvvv vwtvwtgcf tv vwtg

16、 22222cos22coscosoutooooooxvvwtgccxftvwtvwtxgggOutput voltage is proportional to the displacement (for x0Parallel plate Ke 0第55頁/共87頁第五十六頁，共88頁。第56頁/共87頁第五十七頁，共88頁。ALRdKELLRR21d21d21 EKE第57頁/共87頁第五十八頁，共88頁。21 E第58頁/共87頁第五十九頁，共88頁。第59頁/共87頁第六十頁，共88頁。 R其中R= 代表與應(yīng)力分量= （如圖7.13）相對(duì)應(yīng)的一個(gè)無限小的立方壓電電阻晶體單元(dnyun)

17、的電阻變化。 TYZXZXYZZYYXXRRRRRRTYZXZXYZZYYXX第60頁/共87頁第六十一頁，共88頁。444444111212121112121211000000000000000000000000第61頁/共87頁第六十二頁，共88頁。)(1211zzxxyyyyR)(1211yyxxzzzzRzyzyR44xzzzR44yzyzR44)(1211zzyyxxxxR得出(d ch)：第62頁/共87頁第六十三頁，共88頁。stRRst11第63頁/共87頁第六十四頁，共88頁。 表示縱向(zn xin)應(yīng)力 為橫向應(yīng)力 表示 、 垂直方向上的應(yīng)力，它比 和 小很多，一般都略去

18、。 、 、 分別為 、 、 相對(duì)應(yīng)的壓阻系數(shù)， 為縱向(zn xin)壓阻系數(shù)， 為橫向壓阻系數(shù)。1ts1t1t1ts1t1ts第64頁/共87頁第六十五頁，共88頁。11tt2121212121214412111112nlnmml（2-6）第65頁/共87頁第六十六頁，共88頁。22212221222144121112t2nnmmll（2-7）式中， 、 、 分別為單晶硅晶軸上的縱向壓阻系數(shù)、橫向壓阻系數(shù)和剪切壓阻系數(shù)；、 、 分別為電阻的縱向應(yīng)力(yngl)相對(duì)于晶體主軸坐標(biāo)系中的方向余弦； 、 、 分別為電阻的橫向應(yīng)力(yngl)相對(duì)于晶體主軸系中的方向余弦 。1112441l1m1n2

19、l2m2n第66頁/共87頁第六十七頁，共88頁。llttRR ,110111244,1101112441212ltttlt第67頁/共87頁第六十八頁，共88頁。Silicon piezoresistive coefficients11111111111131.2 1017.6 1071.8 1066.2 10latalatapppp n-type 11.7 -102.2 53.4 -13.6P-type 7.8 6.6 -1.1 138.1Units -cm, 10-1Pa-1 values are at T=25 0Cn-type P-type NoImage111244,s第68頁/共

20、87頁第六十九頁，共88頁。晶面取向取向LT(100)+0.6644-0.3344(100)+0.5440(100)+0.544-0.544(100)+0.02440.0244第69頁/共87頁第七十頁，共88頁。第70頁/共87頁第七十一頁，共88頁。公式(gngsh)?第71頁/共87頁第七十二頁，共88頁。第72頁/共87頁第七十三頁，共88頁。第73頁/共87頁第七十四頁，共88頁。Origin of Piezoelectric EffectNoImage第74頁/共87頁第七十五頁，共88頁。Origin of Piezoelectric Effect2233044PqqEEErr第

21、75頁/共87頁第七十六頁，共88頁。Origin of Piezoelectric Effect323PNqadddpolarizationstrain第76頁/共87頁第七十七頁，共88頁。Origin of Piezoelectric Effect第77頁/共87頁第七十八頁，共88頁。Anisotropic Crystal Properties: Generalized Stress-Strain第78頁/共87頁第七十九頁，共88頁。Anisotropic Crystal Properties: Generalized Stress-Strain1112131415162122232

22、42526313233343536414243444546515253545556616263646566xyxyyyyyzzzzyzyzzxzxxyxySTssssssSTssssssssssssSTSTssssssssssssSTssssssST 11121314211113141313331414444414141112000000000000002000022xyxyyyyyzzzzyzyzzxzxxyxySTssssSTssssSTsssSTsssssSTsssST （）Quartz has threefold symmetry, physical properties repeat

23、 every 1200.Quartz is also symmetric about the x-axis 第79頁/共87頁第八十頁，共88頁。Anisotropic Crystal Properties: Generalized Stress-Strain111213212223313233414243515253616263xyyyxzzyyzzzxxySdddSdddEdddSESdddEdddSdddS 111114141100000000000020 xyyyxzzyyzzzxxySdSdESEdSEdSdS 第80頁/共87頁第八十一頁，共88頁。Anistropic Cryst

24、al Properties Elastic modulus and compliance Thermal conductivity Electrical conductivity Coefficient of thermal expansion Dielectric constants Piezoelectric contants Optical index of refraction Velocity of propagation of shear waves第81頁/共87頁第八十二頁，共88頁。Constitutive Equations for Piezoelectric Materi

25、als TrcompliancecoefficientsstresselectricfieldelectricelectricstressdisplacementfieldEstrainTSsTdEDdTEE) are those values obtained when superscripted quantity is held constant.Piezoelectric strainCoefficients (transpose)Dielectricpermittivity第82頁/共87頁第八十三頁，共88頁。Properties Common Piezoelectrics2mech

26、anical energy storedKelectrical energy applied第83頁/共87頁第八十四頁，共88頁。SAW Devices The stress-free boundary condition imposed by the surface of a crystal gives rise to an acoustic mode known as a surface acoustic wave (Rayleigh wave) SAW energy is confined to within one wavelength of the surface The components of surface particle motion, Ux and Uz, are 90 out of phase, and Uz Ux SAWs can be excited by interdigitated transducers (IDTs) patterned on the surface of piezoelectric crystals* IDT geometry allows construction of delay lines, convol