基于变面积电容传感的大量程mems加速度计加工工艺研究

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1、分类号学号M201270184学校代码10487密级硕士学位论文基于变面积电容传感的大量程MEMS加速度计加工工艺研究学位申请人：朱涛学科专业：精密测量物理指导教师：刘金全副教授答辩日期：2015.5.27ThesisSubmittedinFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofPhysicsFabricationofaMEMSAccelerometerBasedonAreaChangeableCapacitiveDisplacementSensingCandidate:ZhuT

2、aoMajor：PrecisionMeasurementPhysicsSupervisor：Assoc.Prof.LiuJin-QuanHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei,430074,P.R.ChinaMay,2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到

3、本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文摘要MEMS加速度计因为体积小、

4、重量轻、功耗小、易集成、成本低等特点在近些年得到了飞速的发展，在消费电子领域已获得了广泛应用。现阶段，以满足惯性导航、航空航天等高端领域应用需求的高精度MEMS加速度计依然是研究热点。本文旨在设计并制作基于变面积式电容传感的高精度MEMS加速度计表头，目标量程达到±15g，本底噪声小于10μg/√Hz。本文的加速度计表头采取了常见的“三明治”结构设计，通过对传统加速度计的传感模型以及变面积电容位移传感模型的理论分析，基于最终的研制目标，设计获得了加速度计包括弹簧-振子结构以及电容传感阵列的主要结构尺寸。最终设计出来的加速度计表头的机械热噪

5、声6ng/√Hz，量程±16g。ANSYS静力学仿真分析以及模态仿真分析对本征频率及量程两个主要参数进行了验证，模拟结果符合我们的理论设计。在此基础上，针对加速度计表头的“三明治”结构，本文对各单元的功能以及单元上的功能层进行了设计，并给出了加工制作流程。流程总体上包含24个大步骤，涉及镀膜、剥离、光刻和刻蚀等多种微加工工艺。本文重点介绍了整个流程中多次使用的光刻和刻蚀工艺，并给出了经过多次优化后的最终的详细工艺加工流程及最终的加工结果。最后对我们加工出来的完整加速度计表头结合外接检测电路进行了测试，并通过对检测结果的分析对加速度计的设计

6、进行了改进，最终实现了加速度检测功能，分辨率达到了设计指标。其中，根据测得的本征频率及Q值推知加速度计表头的等效加速度机械热噪声小于10ng/√Hz，满足我们本底噪声<10μg/√Hz的设计目标；加速度检测灵敏度达到了203mV/g，接近228mV/g的设计灵敏度；对本底噪声功率谱分析表明，其在1-200Hz频段范围内的加速度分辨率为6μg，达到了设计目标。关键词：MEMS加速度计电容传感光刻ICP刻蚀I华中科技大学硕士学位论文AbstractMEMSaccelerometershavebeenunderrapiddevelopmenti

7、nrecentyearsforitstraitssuchassmallvolumes,lightweights,lowpowerconsumption,easyintegrationandlowcosts.Ithasbeenwidelyusedinthefieldofconsumerelectronics.Uptonow,thehighprecisionMEMSaccelerometerisunderintensiveinvestigationsbecauseofitspotentialapplicationsininertialnavi

8、gationforairborneandaerospacetasks.ThisthesisaimstodesignandmanufacturesuchaMEMSaccelerationsens