電磁激勵的硅微諧振器的研究.pdf

1、微電子機械系統(tǒng)(MEMS)以微電子及微機械加工技術(shù)為依托，涉及微電子學(xué)、機械學(xué)、力學(xué)、自動控制學(xué)、材料科學(xué)等多種工程技術(shù)和學(xué)科。MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、性能優(yōu)良、功能強大、可批量生產(chǎn)等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點。其中硅微諧振式傳感器利用了硅諧振器的機械振動參數(shù)(振幅，相位，阻尼，頻率)與待測物理量之間存在的函數(shù)關(guān)系來敏感，檢測一些物理量。微諧振式傳感器具有精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高且易于與數(shù)字電路接口的特點

2、。硅微機械的諧振器作為微諧振式傳感器的核心部件，一直是人們研究的重點對象。 要設(shè)計好一個硅微諧振器，一是要選擇合適的激勵、拾振方式；二是要設(shè)計好能夠與之相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，以及加工工藝步驟。三是要設(shè)計好外圍電路實現(xiàn)開環(huán)檢測系統(tǒng)和閉環(huán)自激系統(tǒng)。本論文首先總結(jié)、綜述了現(xiàn)有硅微諧振器的結(jié)構(gòu)、激勵、檢測方式，開環(huán)檢測/閉環(huán)自激電路并在此基礎(chǔ)上提出設(shè)計了一些以電磁激勵、電磁檢測為主的硅微諧振器結(jié)構(gòu)，并且完成流水工作。 為了解決電磁激勵外

3、加磁場時，永磁體給微諧振器的制造、封裝帶來的麻煩。本文提出了一種利用通電導(dǎo)線產(chǎn)生內(nèi)部磁場的想法。并且在理論上推導(dǎo)計算了其產(chǎn)生內(nèi)部磁場和磁場力的大小。為了消除由于各種簡化給模型帶來的誤差。本文利用有限元軟件，建立了更進一步精確的模型，并進行了有限元分析。在以雙端固支梁為基本結(jié)構(gòu)的前提下，針對通電直導(dǎo)線產(chǎn)生內(nèi)部磁場進行電磁激勵的情況進行了優(yōu)化設(shè)計。一方面利用對稱疊加解決了單根通電導(dǎo)線激勵是，由于電流方向改變帶來的吸引力與排斥力大小不等的情況

4、；另一方面同向疊加盡可能增大了受激梁處的磁場大小和所受磁場力的大小。 在分析振動系統(tǒng)的諧振情況時，本文借用了等效力和機電模擬的概念。將單自由度振動系統(tǒng)的三個基本參數(shù)質(zhì)量、阻尼、剛度轉(zhuǎn)化為等效力。并且將機械系統(tǒng)與電學(xué)系統(tǒng)中的電感、電容、電阻對應(yīng)，分別建立阻抗模型和導(dǎo)納模型。利用此模型得出位移、速度、加速度三種諧振響應(yīng)與結(jié)構(gòu)固有頻率相比較，得出速度響應(yīng)是用來檢測結(jié)構(gòu)固有頻率最佳響應(yīng)方式。而作為電磁檢測的檢測信號正式與速度響應(yīng)相關(guān)的。

5、 本文主要設(shè)計的是以雙端固支梁為主、結(jié)合一些變形梁的梁結(jié)構(gòu)。針對固支梁結(jié)構(gòu)，本文利用經(jīng)典的伯努利方程計算其結(jié)構(gòu)各階模態(tài)的本征頻率。但同時也利用有限元軟件分析了其各階模態(tài)的本征頻率和在受力情況下的應(yīng)力應(yīng)變情況。在設(shè)計結(jié)構(gòu)時，也在此指導(dǎo)下設(shè)計了部分壓阻檢測的梁結(jié)構(gòu)。 本文流水的微諧振粱結(jié)構(gòu)主要是在中國電子集團第55所和本實驗室的工藝間完成。本文分別設(shè)計了以SOI硅片、犧牲層釋放為基礎(chǔ)的工藝方案一和以單片硅片、背面濕法腐蝕釋放