一種新型靜電驅(qū)動增加檢測電容的微慣性傳感器研究.pdf

1、以加速度計為代表的MEMS傳感器是應(yīng)用最為廣泛的MEMS器件，而MEMS電容式加速度計具有靈敏度高、體積小、功耗低和智能化等優(yōu)點，在汽車電子、消費類產(chǎn)品、地震監(jiān)測、石油探測、導(dǎo)航和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用。本論文主要研究提高電容式傳感器精度的方法，并設(shè)計制作了一種新型的MEMS加速度傳感器。
　　 本文首先介紹了電容式加速度計的基本原理、基本結(jié)構(gòu)和動態(tài)工作模型，并在此基礎(chǔ)上討論了影響傳感器性能的主要因素。接著討論了空氣阻

2、尼的形成原因，說明了壓膜阻尼是影響器件性能的主要因素之一。其次，為了克服了DRIE(Deep reactive ion etching)工藝對深寬比的限制，在傳感器結(jié)構(gòu)上設(shè)計了驅(qū)動器，使深寬比從15:1提高到75:1，大大增大了初始檢測電容；為減小空氣阻尼，在傳感器固定梳齒電極上刻蝕了凹槽，并對其空氣阻尼行了研究，結(jié)果表明空氣阻尼從未開槽時的0.046 Nm/s減小到0.0015 Nm/s。論文通過對傳感器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，使傳感系統(tǒng)噪

3、聲從1.395μg/√Hz減小到0.591μg√Hz，大大提高了分辨率。
　　 論文用電磁場分析軟件ANSOFT-Maxwell對梳齒極板的未交疊部分、槽型梳齒極板的槽間距、槽深寬比的合理設(shè)計進行了仿真，對槽型極板電容計算式進行了驗證。結(jié)果表明，極板長度較小時，邊緣效應(yīng)引起的電容誤差較大；在500μm≤L≤1200μm，上下極板未交疊部分在100μm到180μm間邊緣效應(yīng)影響較小；刻蝕槽間距、槽深、槽寬分別為35μm、25μm、

4、20μm時邊緣效應(yīng)引起的誤差較小。論文通過等效電路模型法，對比了開環(huán)和閉環(huán)處理電路的性能理論和仿真結(jié)果表明：閉環(huán)檢測電路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更高。據(jù)此建立了新型器件動態(tài)電路模型，結(jié)果表明邊緣效應(yīng)引起的位移變化誤差為0.61％。因此對于尺寸較小的電容式傳感器，邊緣效應(yīng)是不可忽略的。
　　 論文利用有限元軟件分析了加速度計的性能，結(jié)果表明傳感器的位移靈敏度達到0.901μm/g；并分析了驅(qū)動器結(jié)構(gòu)對傳感器性能的影響。最后設(shè)計了基于硅-玻璃鍵合