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免费的MEMS微加速度计的设计与性能控制(一)_自动化专业毕业论文范文

发布时间:2015-01-06 来源:人大经济论坛
免费的MEMS微加速度计的设计与性能控制(一)_自动化专业毕业论文范文 MEMS微加速度计的设计与性能控制 摘要  目前研究较多、具有良好应用前景的微加速度计是依托微机电系统(MEMS)加工技术制作而成的微加速度计,其中尤以电容式加速度计最为重要。它具有结构较为简单、制作工艺与常规微电子加工工艺兼容、灵敏度高、使用简便等优点。本文针对电容式微加速度计的使用要求,分析其结构和工作原理,对其互补金属-氧化物-半导体(CMOS)的制造工艺特点也做了简要描述。论文主要给出了其核心部件---执行器的设计,定量给出了弹簧的劲度系数、阻尼因子等关键技术指标,并分析了它们对加速度计性能的影响。 关键词  微加速度计,CMOS-MEMS结构,电容,劲度系数,阻尼因子 一  引言  MEMS是英文Micro Electro Mechanical   Systems的缩写,即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术(micro/nanotechnology)基础上的21世纪前沿技术,是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令,还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺,制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。微电子机械系统(MEMS)是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术,该技术将对未来人类生活产生革命性的影响,它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。   随着MEMS技术的发展,惯性传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的微机电系统器件之一,而微加速度计(microaccelerometer)就是惯性传感器件的杰出代表。微加速度计的理论基础就是牛顿第二定律,根据基本的物理原理,在一个系统内部,速度是无法测量的,但却可以测量其加速度。如果初速度已知,就可以通过积分计算出线速度,进而可以计算出直线位移。结合陀螺仪(用来测角速度),就可以对物体进行精确定位。根据这一原理,人们很早就利用加速度计和陀螺进行轮船,飞机和航天器的导航,近年来,人们又把这项技术用于汽车的自动驾驶和导弹的制导。汽车工业的迅速发展又给加速度计找到了新的应用领域,汽车的防撞气囊(Air Bag)就是利用加速度计来控制的。  作为最成熟的惯性传感器应用,现在的MEMS加速度计有非常高的集成度,即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。本文将就微加速度计进行初步设计,并对其进行理论分析。  二  MEMS加速度计的结构模型及其工作原理 2.1  MEMS微加速度计的结构模型  为了提高加速度计的工作灵敏度,通常采用电容式结构。我们这里所研究的加速度计属于电容式结构的一种;采用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应加速度,其结构如图1所示。图中只画出了一个基本单元。它是利用比较成熟的硅加工工艺在硅片内形成的立体结构(图1只给出其剖面示意图)。图中的质量块是微加速度计的执行器,与质量块相连的是可动臂;与可动臂相对的是固定臂。可动臂和固定臂形成了电容结构,作为微加速度计的感应器。其中的弹簧并非真正的弹簧,而是由硅材料经过立体加工形成的一种力学结构,它在加速度计中的作用相当于弹簧。 图1  微加速度计的结构示意图。 2.2  MEMS微加速度计的工作原理  加速度计的工作原理可概述如下:当加速度计连同外界物体(该物体的加速度就是待测的加速度)一起加速运动时,质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制。显然该位移与外界加速度具有一一对应的关系:外界加速度固定时,质量块具有确定的位移;外界加速度变化时(只要变化不是很快),质量块的位移也发生相应的变化。另一方面,当质量块的发生位移时,可动臂和固定臂(即感应器)之间的电容就会发生相应的变化;如果测得感应器输出电压的变化,就等同于测得了执行器(质量块)的位移。既然执行器的位移与待测加速度具有确定的一一对应关系,那么输出电压与外界加速度也就有了确定的关系,即通过输出电压就能测得外界加速度。  具体地说,以Vm表示输入电压信号,Vs表示输出电压,Cs1与Cs2分别表示固定臂与可动臂之间的两个电容(见图2),则输入信号和输出信号之间的关系可表示为:  (1) 其中电容与位移之间的关系由电容的定义给出:  (2) 其中x是可动臂(执行器)的位移,d是没有加速度时固定臂与悬臂之间的距离。 由(2)式和(1)式可得  (3)  根据力学原理,稳定情况下质量块的力学方程为:  (4) k为弹簧的劲度系数,m为质量块的质量。因此,外界加速度与输出电压的关系为:  (5) 可见,在加速度计的结构和输入电压确定的情况下,输出电压与加速度呈正比关系。 图2  (a)执行器的力学结构示意图,(b)感应器的电学原理图。 三  MEMS微加速度计的制造工艺  以往的加速度计都是利用传统的机械加工方法制造的,但是这种加速度计的体积大、分量重,应用场合受到很大限制,MEMS技术制造的微加速度计克服了这些缺点。这里以COMS-MEMS加工技术为例,其加工流程大体如下:  如图3所示,经过CMOS浇铸工艺之后就得到如图3(a)的效果,再用CHF3/O2进行各向异性的反应离子刻蚀(reactive ion etch,即RIE)腐蚀掉外层氧化物,得到如图3(b)所示的效果,接下来用SF6/O2来腐蚀体硅,便从衬底上得到微结构,即如图3(c)所示的效果。   图3  CMOS-MEMS加工工艺流程图:(a)经过MOS工艺加工后;(b)经过介质腐蚀工艺后;(c)经过体硅腐蚀工艺后。  图4是微加速度计工艺完成以后芯片的扫描电子显微镜(SEM)照片。 图4  微加速度计芯片的扫描电镜(SEM)照片(a)及其局部放大图(b)。 四  MEMS微加速度计主要性能指标的设计和控制   在加速度变化的动态过程中,质量块的位移是时间的函数。根据牛顿第二定律,质量块的运动由下列二次常微分方来描述  (6) 其中,k为弹簧的劲度系数,b为阻尼部件的阻尼因子,aext 是外部加速度。可见,弹簧部件的设计和阻尼部件的设计对加速度计的性能是至关重要的。 4.1 弹簧劲度系数的控制  对于弹簧,其构造实际上是如图5所示的力学结构。不难分析得到,其劲度系数为: 图5  弹簧结构示意图               (7) 其中,E是杨氏模量,h是
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