三维磁场_三轴加速度_压力传感器集成化研究

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1、分类号UDC密级公开硕士研究生学位论文三维磁场/三轴加速度/压力传感器集成化研究申请人:李宝增学号:2151246培养单位:电子工程学院学科专业:微电子学与固体电子学研究方向:传感器MEMS指导教师:赵晓锋教授完成日期:2018年5月24日中文摘要本文给出基于MEMS技术设计的三维磁场/三轴加速度/压力多功能集成化传感器基本结构，其中三维磁场传感器由五只霍尔磁场传感器和磁场集中器构成，基于霍尔效应和磁场集中器原理，可实现三维磁场（Bx、By和Bz）测量；三轴加速度传感器由弹性元件和压敏电阻构成，弹

2、性元件包括四个L型双梁、两个质量块及中间双梁，十二个压敏电阻分布在L型双梁和中间双梁的根部，分别构成三个惠斯通电桥结构，基于压阻效应可实现三轴加速度（ax、ay和az）测量；压力传感器由方形硅膜和位于边缘区域的四个压敏电阻构成，利用扩散硅压阻效应可实现外加压力（P）测量。在此基础上，本文采用TCAD-Atlas软件构建三维磁场传感器仿真模型，并且采用ANSYSWorkbench软件构建磁场集中器、三轴加速度传感器和压力传感器结构仿真模型，分别进行传感器特性仿真分析，给出了传感器设计方案，并使用L-

3、Edit软件，完成集成传感器版图的设计。基于MEMS技术制作了集成化传感器芯片，采用了内引线压焊技术和无磁性封装材料，实现芯片无磁化封装。本文对封装完成的集成化传感器芯片进行特性测试，在室温条件下，供电电压为5.0V时，实验结果给出三维磁场传感器沿x方向、y方向和z方向磁灵敏度分别为15.2mV/T、15.5mV/T和301.5mV/T；三轴加速度传感器沿x轴、y轴和z轴灵敏度分别为164.025μV/g、49.208μV/g和37.392μV/g；压力传感器灵敏度为0.104mV/kPa。关键词

4、：MEMS技术；集成化传感器；三维磁场传感器；三轴加速度传感器；压力传感器-I-AbstractThispaperpresentsthebasicstructureofathree-dimensionalmagneticfield/three-axisacceleration/pressureintegratedmultifunctionalsensorbasedonmicro-electromechanicalsystems(MEMS)technology.Thethree-dimensiona

5、lmagneticfieldsensorconsistsoffiveHallsensorsandmagneticfieldconcentrator.BasedonHalleffectandtheprincipleofmagneticfieldconHallmagneticfieldsensorcentrator,thissensorcanachievethemeasurementofthree-dimensionalmagneticfield(Bx,ByandBz).Thethree-axisac

6、celerationsensorconsistsofelasticelementandpiezoresistors.TheelasticelementconsistsoffourL-shapeddoublebeams,twomassesandmiddledoublebeam.TwelvepiezoresistorsaredistributedintherootofL-shapeddoublebeamsandmiddledoublebeam.Twelvepiezoresistorsconstitut

7、ethreeWheatstonebridgestructures,respectively.Basedonpiezoresistiveeffect,thissensorcanachievethemeasurementofthree-axisacceleration(ax,ayandaz).Thepressuresensorconsistsofasquaresiliconfilmandfourpiezoresistorsintheedgeofsiliconfilm.Basedonpiezoresis

8、tiveeffectofdiffusionsilicon,thissensorcanachievethemeasurementofpressure(P).Thispaperbuildsasimulationmodelofthree-dimensionalmagneticfieldsensorusingTCAD-Atlassoftwareandbuildssimulationmodelsofmagneticfieldconcentrator,three-axisacceleratio