新型柵結構雙向MEMS慣性傳感器研究.pdf

1、微電子機械系統(tǒng)(MEMS)是一個發(fā)展十分迅速、應用日漸廣泛的領域，其中以加速度計為代表的MEMS 傳感器是目前應用最為廣泛的MEMS 器件。電容式MEMS 加速度計具有靈敏度高、溫度系數(shù)小、功耗和成本低等優(yōu)點，在汽車工業(yè)、消費類產品、石油探測、導航等領域具有十分廣泛的應用。
　　 對電容式加速度計的基本原理、基本結構和基本檢測原理進行了分析；比較了電容式MEMS 器件的幾種主要檢測方式，選用了基于變面積檢測原理的柵型結構作為檢測

2、電容結構；分析了加速度計的氣體阻尼，證明工作在滑膜阻尼狀態(tài)下的柵型結構器件具有更小的氣體阻尼，可以有效提高器件的分辨率；分析了靜電力對電容式器件的影響，說明柵型結構的電容式加速度計可以通過提高檢測電壓來提高器件的分辨率。
　　 根據(jù)上述的理論分析設計了一個基于柵型檢測電容結構的雙軸電容式MEMS 加速度計，主要由支撐梁、連接梁、帶有柵型檢測電極的質量塊、玻璃襯底和淀積在玻璃襯底上的鋁檢測電極組成。設計了阻尼調整梳齒，用來調節(jié)器件

3、的阻尼特性；在器件的敏感運動方向上設計了沖擊保護結構，保護器件免受大的沖擊的破壞。
　　 使用有限元分析軟件ANSYS 對設計的加速度計進行了分析：通過模態(tài)分析證明了加速度計的敏感運動方向和設計要求相一致；通過靜態(tài)靈敏度分析證明了加速度計在x-軸和y-軸上具有幾乎相同的靈敏度；通過強度分析證明加速度計可以承受1000g 加速度信號的沖擊；通過橫向效應分析證明了器件的橫向效應近似為0。
　　 由于電容式MEMS 器件的小尺

4、寸特性，電容邊緣效應對電容式MEMS 器件具有十分重要的影響，對柵型電容和平行板電容的邊緣效應進行了分析比較。利用電磁場分析軟件ANSOFT-Maxwell分析了電容邊緣效應對柵型結構電容值的影響，包括柵型電容隨著電容極板長度、寬度、交疊寬度、極板厚度、極板間距、柵型條密度變化時的變化情況，結果表明：邊緣效應會引起柵型電容隨交疊長度和寬度的非線性變化；柵型電容會隨著柵型條寬度和極板厚度增加而增加；相同交疊面積下增大柵型條密度可以提高靈敏

5、度，但是會降低器件線性度。此外結合設計的加速度計器件的結構，對邊緣效應對該器件的影響進行了分析。設計了雙軸MEMS 加速度計的版圖；介紹了MEMS 器件的主流工藝；根據(jù)體硅工藝，設計了加速度計制作的工藝流程，并對主要的工藝進行了介紹；分析了DRIE 工藝引起的微負載效應，并針對這一效應對器件結構進行了改進；制作了雙軸MEMS 加速度計，證明了器件工藝設計的可行性；對器件進行了初步的靜態(tài)測試，測得器件在x-軸和y-軸的電容靈敏度分別為0.