基于聲光效應的MEMS加速度傳感器基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、MEMS加速度傳感器是一種典型的力學量傳感器，具有體積小、成本低、精度高、集成化等特點，是慣性導航、慣性制導，智能引信等系統(tǒng)中的關(guān)鍵基礎(chǔ)元器件，同時被廣泛應用于汽車安全、醫(yī)療器械、消費電子等領(lǐng)域。高性能、新原理、新結(jié)構(gòu)、新材料的MEMS加速度傳感器是近年來MEMS加速度傳感器研究的重要方向之一。
　　本論文提出了一種基于聲光效應的新原理、新結(jié)構(gòu)MEMS加速度傳感器，采用喇曼-奈斯聲光衍射的聲光移頻特性，使該新型加速度傳感器的靈敏度

2、相比于傳統(tǒng)懸臂梁式SAW加速度傳感器具有顯著的提升。論文重點開展了相應的基礎(chǔ)理論、設(shè)計方法、加工工藝和測試方法的研究，研究了SAW在硅基ZnO-SiO2-Si多層結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)倪f歸漸進（RAM）模型、SAW在ST石英中傳輸?shù)鸟詈夏?COM)模型，突破了滿足喇曼-奈斯衍射條件的SAW諧振器的設(shè)計、ST石英的三維體加工與多層薄膜的制備及圖形化兼容加工工藝等關(guān)鍵技術(shù)。研制出的Ⅰ型和Ⅱ型原理樣機量程0~1g、靈敏度分別為：8.32kHz/g和16

3、.29 kHz/g、非線性誤差分別為2.2％和2.3%、分辨率分別為5.610′g和-44.710′g-4
　　論文的主要研究工作是：
　　①研究分析了基于聲學原理的微型加速度傳感器的研究現(xiàn)狀及存在的問題，提出了基于聲光效應的MEMS加速度傳感器新結(jié)構(gòu)，確定了傳感器研究的總體方案；
　?、陉U述了基于聲光效應的MEMS加速度傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，搭建了宏模型原理驗證系統(tǒng)；基于遞歸漸進法分析了SAW在ZnO-SiO2

4、-Si多層結(jié)構(gòu)中的傳輸特性，發(fā)現(xiàn)基于ZnO壓電薄膜的硅基ZnO-SiO2-Si結(jié)構(gòu)不適用于本論文提出的聲光MEMS加速度傳感器，選擇ST石英基片為基底，建立了加速度傳感器的靈敏度計算模型，估算靈敏度約為60~150KHz/g；
　　③基于耦合模理論，結(jié)合P矩陣法對SAW諧振器的性能進行了模擬分析，優(yōu)化了滿足喇曼-奈斯衍射要求的SAW諧振器結(jié)構(gòu)參數(shù)；基于有效折射率法設(shè)計了埋入式SiO2單模矩形光波導、以及基于Al膜包覆型波導的TE0

5、模波導偏振器，設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)的衍射區(qū)錐形波導及波導反射鏡；完成了懸臂梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用COMSOL軟件對設(shè)計的懸臂梁結(jié)構(gòu)進行了靜力分析和模態(tài)分析；
　　④基于實驗室的MEMS加工工藝平臺，設(shè)計了傳感器的加工工藝流程和光刻掩膜版圖，突破了先刻蝕石英片，制作出懸臂梁微結(jié)構(gòu)，再制作IDT、光波導等微結(jié)構(gòu)的單芯片集成兼容加工工藝，成功研制出原理樣機；
　?、菅兄屏嘶诩煞糯笃鞯拈]環(huán)正反饋振蕩電路，搭建了加速度傳感器測試平臺；在0