文档介绍：杭州电子科技大学
硕士学位论文
新型栅结构双向MEMS惯性传感器研究
姓名:李永杰
申请学位级别:硕士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:董林玺
20091201
杭州电子科技大学硕士学位论文
摘要
微电子机械系统(MEMS)是一个发展十分迅速、应用日渐广泛的领域,其中以加速
度计为代表的 MEMS 传感器是目前应用最为广泛的 MEMS 器件。电容式 MEMS 加速度计
具有灵敏度高、温度系数小、功耗和成本低等优点,在汽车工业、消费类产品、石油探测、
导航等领域具有十分广泛的应用。
对电容式加速度计的基本原理、基本结构和基本检测原理进行了分析;比较了电容式
MEMS 器件的几种主要检测方式,选用了基于变面积检测原理的栅型结构作为检测电容结
构;分析了加速度计的气体阻尼,证明工作在滑膜阻尼状态下的栅型结构器件具有更小的
气体阻尼,可以有效提高器件的分辨率;分析了静电力对电容式器件的影响,说明栅型结
构的电容式加速度计可以通过提高检测电压来提高器件的分辨率。
根据上述的理论分析设计了一个基于栅型检测电容结构的双轴电容式 MEMS 加速度
计,主要由支撑梁、连接梁、带有栅型检测电极的质量块、玻璃衬底和淀积在玻璃衬底上
的铝检测电极组成。设计了阻尼调整梳齿,用来调节器件的阻尼特性;在器件的敏感运动
方向上设计了冲击保护结构,保护器件免受大的冲击的破坏。
使用有限元分析软件 ANSYS 对设计的加速度计进行了分析:通过模态分析证明了加速
度计的敏感运动方向和设计要求相一致;通过静态灵敏度分析证明了加速度计在 x-轴和 y-
轴上具有几乎相同的灵敏度;通过强度分析证明加速度计可以承受 1000g 加速度信号的冲
击;通过横向效应分析证明了器件的横向效应近似为 0。
由于电容式 MEMS 器件的小尺寸特性,电容边缘效应对电容式 MEMS 器件具有十分
重要的影响,对栅型电容和平行板电容的边缘效应进行了分析比较。利用电磁场分析软件
ANSOFT-Maxwell 分析了电容边缘效应对栅型结构电容值的影响,包括栅型电容随着电容
极板长度、宽度、交叠宽度、极板厚度、极板间距、栅型条密度变化时的变化情况,结果
表明:边缘效应会引起栅型电容随交叠长度和宽度的非线性变化;栅型电容会随着栅型条
宽度和极板厚度增加而增加;相同交叠面积下增大栅型条密度可以提高灵敏度,但是会降
低器件线性度。此外结合设计的加速度计器件的结构,对边缘效应对该器件的影响进行了
分析。
设计了双轴 MEMS 加速度计的版图;介绍了 MEMS 器件的主流工艺;根据体硅工艺,
设计了加速度计制作的工艺流程,并对主要的工艺进行了介绍;分析了 DRIE 工艺引起的微
负载效应,并针对这一效应对器件结构进行了改进;制作了双轴 MEMS 加速度计,证明了
器件工艺设计的可行性;对器件进行了初步的静态测试,测得器件在 x-轴和 y-轴的电容灵
敏度分别为和 ,证明了所设计的器件满足双向加速度信号检测的要求;
利用一个基于栅型结构的谐振器分析了栅型结构的阻尼特性,证明栅型结构器件在常压下
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具有较低的气体阻尼和较高的品质因数,从而具有较好的动态性能。
关键词:双轴加速度计,电容边缘效应,栅型结构,滑膜阻尼,体硅工艺
II
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ABSTRACT
Micro-Electro-Mechanical-System is a rapidly-developing and ever-growing area, and with
the representative of accelerometer, MEMS sensors are the most widely-used MEMS devices at
present. With the advantage of high-sensitivity, low-temperature coefficient, as well as low power
consumption and low cost, capacitive accelerometer has been widely used in the area of auto
industry, modities, oil exploration and navigation etc.
Basic principle, structure and detecting principle of capacitive accelerometer are anal