梳齿式微机械加速度计加工工艺研究

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1、分类号学号M201270178学校代码10487密级硕士学位论文梳齿式微机械加速度计加工工艺研究学位申请人：张文婷学科专业：精密测量物理指导教师：刘金全副教授答辩日期：2015.5.27AThesisSubmittedinFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofPhysicsFabricationofComb-DriveMEMSAccelerometersCandidate:ZhangWen-TingMajor：PrecisionMeasurementPhysicsSupervisor：Assoc.Prof.Li

2、uJin-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

3、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硅微机械加速度计是一种重要的力学传感器，是最早研究的微机械惯性传感器之一，因为其易于小型化、硅材料良好的机械性能、硅微加工工艺成熟、便于和IC集成等特点，在航空导航、军用武器等领域有广泛应用。本论文以量程为±15g

4、、加速度等价机械热噪声小于10μg/√Hz的加速度计为目标，基于梳齿电容检测和静电反馈的原理，运用反应离子深刻蚀技术制作微机械结构，对MEMS加速度计的设计和加工工艺进行了初步的探索性研究。本文在对MEMS加速度计发展背景和国内外动态调研的基础上，分析了传统惯性传感力学模型以及变间距电容传感模型，针对课题目标进行了结构设计和模型建立，研究了包括振子结构本征频率、敏感轴与非敏感轴方向频率比值、系统机械热噪声、工作频带和线性度等开、闭环工作模式下系统各项性能参数，提出了加速度计的具体设计方案。然后利用有限元软件ANSYS对已建立的弹簧-振子结构进行了模态分析。理论计算和仿真建

5、模得到的模态分析结果均可验证系统在机械结构上的可靠性。工艺制作方面，本论文进行了梳齿式微机械加速度计加工工艺的探索性研究，提出了以SOI(SiliconOnInsulator)硅片为基底的整体结构加工工艺流程，重点介绍了SOI硅片器件层深刻蚀后的释放工艺，探索了多种不同的释放方法，并对结果进行了分析比较，最终采用干法释放方式成功实现了敏感质量块和活动梳齿的悬空。对于加工出的加速度表头模块，我们结合电路进行了本征频率及Q值测试，测得共振频率为384.5Hz，Q值为104.5，由此推知整个加速度计表头的加速度等价机-7-5械热噪声为7.4×10g/√Hz，远低于我们的设计要求

6、10g/√Hz。经过标定，加速度表头在开环状态下能够以127.4mV/g的灵敏度对外界加速度进行响应，实现了加速度的开环测量功能。该结构的加工效果与设计目标一致，预期在闭环模式工作时能够达到15g的加速度检测量程。本文工作为最终实现量程为±15g、热噪声小于10μg/√Hz、工作在静电闭环反馈模式的加速度计表头奠定了基础。关键词：梳齿式微机械加速度计变间距电容位移传感ICP刻蚀干法释放I华中科技大学硕士学位论文AbstractMicromachinedsiliconaccelerometersareoneoftheearliestmicromechanicalinerti

7、alsensorsunderinvestigationbecauseofeasyminiaturization，excellentmechanicalpropertiesofsilicon,maturityofsiliconmicromachiningtechnologyandeasyintegrationwithIC.Theyarewidelyusedinthefieldofairnavigation,militaryweaponsandsoon.ThispaperaimstodesignandimplementMEMSac