基于SOI技术的MEMS惯性加速度计的设计与优化

论文摘要

MEMS（微机电系统,Micro Electro Mechanical System）惯性加速度计是微惯性测量组合（MIMU, Micro Inertial Measurement Unit）的关键部件,在许多相关领域都有着广阔的发展和应用前景,在微系统领域中发挥着举足轻重的作用,因此,微惯性加速度计已成为大家研究和分析的热点,采用SOI（绝缘衬底上的硅）技术的MEMS惯性加速度计不但具有较好的硅机械特性,而且使CMOS（互补金属氧化物半导体,Complementary Metal Oxide Semiconductor）工艺与MEMS加工工艺能够兼容,为加速度计表头与CMOS单片的集成提供了可能,实现了惯性器件微型化、可集成化、易批量生产等优点。本文以电容式微加速度计为研究对象,进行基于SOI技术的微加速度计结构设计、建模仿真、结构优化、器件加工工艺技术等内容的研究。根据目前国内外MEMS惯性加速度计的发展现状及国内加工工艺条件,对不同类型MEMS加速度计的优缺点进行比较,提出了一个性能最优的基于SOI技术的梳齿状电容式微加速度计结构;基于硅微结构设计基本准则,进行梳齿状微加速度计结构设计和模型建立,对其力学特性、结构电容和动态特性等主要参数进行理论公式推导和分析,指出影响器件分辨率、灵敏度、机械热噪声等性能的主要结构参数,并对其U型弹性梁结构进行了选择和优化设计;利用MEMS专用软件CoventorWare进行微加速度计结构特性系统级建模和仿真分析,其中包括静力分析、模态分析和弹性梁频响特性分析,并对结构模型进行验证优化;然后建立电容式加速度计表头力学特性和差动电容结构的等效电学模型,利用PSPICE软件进行结构的电学特性仿真,验证了设计结构的合理性和正确性。最后根据梳齿状微加速度计结构,设计提出了以SiO2为中间层的SOI键合-减薄制作加工技术,给出了具体加工工艺流程,然后基于SOI结构研究设计了微加速度计器件的加工工艺。同时,提出了一种金属离子吸附薄膜工艺技术,来克服器件刻蚀过程中的底切和Notching效应,实现整个微加速度计器件的良好加工制作,并给出了硅膜悬空无衬底结构的微加速度计器件具体加工工艺流程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 选题依据
• 1.3 研究目的和意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 MEMS 惯性加速度计的总体设计及研究
• 2.1 MEMS 惯性加速度计国内外研究现状
• 2.1.1 微机电系统技术的发展趋势研究
• 2.1.2 微惯性加速度计的国内外发展状况
• 2.1.3 MEMS 加工工艺发展现状研究
• 2.2 MEMS 惯性加速度计基本原理
• 2.3 MEMS 惯性加速度计的分类与选择
• 2.3.1 MEMS 惯性加速度计的类型
• 2.3.2 MEMS 惯性加速度计结构形式的选择
• 2.4 本章小结
• 第三章 MEMS 电容式加速度计结构设计及优化
• 3.1 梳齿式微加速度计基本原理
• 3.2 梳齿式微加速度计结构理论分析
• 3.2.1 开环状态
• 3.2.2 闭环状态
• 3.2.3 阻尼系数和热噪声
• 3.3 弹性梁结构设计
• 3.4 敏感元件结构设计及优化
• 3.4.1 设计基本准则
• 3.4.2 敏感元件结构设计
• 3.4.3 微加速度计结构优化
• 3.4.3.1 弹性梁结构优化
• 3.4.3.2 微加速度计结构
• 3.5 本章小结
• 第四章 MEMS 电容式加速度计结构仿真及优化
• 4.1 有限元法概述
• 4.2 微加速度计结构系统级模型
• 4.3 微加速度计结构静力分析
• 4.3.1 抗冲击能力分析
• 4.3.2 线性度分析
• 4.4 模态分析及仿真验证
• 4.5 U 型梁结构参数对微加速度计表头影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 MEMS 电容式加速度计电学仿真
• 5.1 电学仿真方法（SPICE）概述
• 5.2 微加速度计力学特性等效电学模型
• 5.3 微加速度计差动电容等效电学模型
• 5.4 微加速度计等效电学模型及模型仿真
• 5.4.1 阶跃信号响应
• 5.4.2 正弦信号响应
• 5.5 本章小节
• 第六章 MEMS 电容式加速度计加工工艺研究
• 6.1 SOI 材料制备加工技术
• 6.2 微加速度计器件加工工艺
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论及展望
• 7.1 结论
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果