新型压阻式加速度传感器的研究

论文摘要

压阻式硅微加速度传感器,因其具有响应快、灵敏度高、精度高、易于小型化等优点,尤其是它的低频响应好,并且该传感器在强辐射作用下能正常工作,对它的研究近年来受到重视。在工业自动控制、汽车、地震测量、军事和空间系统、医学及生物工程等领域中有着广泛的应用前景。在实际工程应用当中,往往需要的加速度计既要量程适当又要灵敏度高,所以本文的研究目的是对压阻式加速度计的量程自动调节系统的研究与设计,在保证固有频率的同时,扩大加速度计的量程。本文利用静电力来实现扩程。针对量程与灵敏度兼顾问题给出了扩程的依据。调整系统电路中的控制环节是利用单片机来完成对静电驱动电压的实时控制。介绍了硅微加速度计目前的应用状况,研究了半导体压阻效应、以及应变电阻的制作工艺、悬臂梁的长度、膜厚、机械特性等对其灵敏度的影响。当加速度变化范围较大时,固定量程对其测量范围有制约。因此,引入静电力来扩程,设计了单片机控制的静电伺服扩程系统电路。分析得出了电压比较器输出的逻辑电平与加速度方向关系对照表。总结了压阻式加速度计的温度特性,给出了补偿措施。对整个调节系统所需的模块电路进行了选择,并作出了相关的理论分析。讨论了MEMS器件的制作工艺,以及现有的封装技术;重点分析了悬臂梁的加工工艺,为微加速度计的研制、加工打下了基础。利用ANSYS软件对梁膜结合的悬臂梁压阻式加速度计进行了仿真。本文对悬臂梁压阻式加速度计的结构、灵敏度、量程进行了系统性分析、研究与设计。对新型压阻式加速度计的梁膜结合结构、梁参数的设计进行仿真,得出的结论及结果是:悬臂梁长度增加,固有频率降低。梁厚度增加,固有频率增加,灵敏度提高。引入静电力扩程,即使在较大的加速度载荷作用下,悬臂梁的形变都不会导致梁的机械刚度失效。优化确定梁的厚度是提高加速度计性能的参考因素。优化后的测量范围为0~600g,分辨率可达0.001g。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的意义
• 1.2 微电子——MEMS技术
• 1.2.1 MEMS特点及应用
• 1.2.2 MEMS技术的基本特征
• 1.3 MEMS硅微加速度计国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 硅微加速度传感器的应用
• 1.5 MEMS加速度计的发展趋势
• 1.6 本文的研究内容及工作安排
• 2 压阻式加速度传感器结构的理论分析
• 2.1 半导体材料的压阻效应及其应变电阻
• 2.1.1 压阻效应
• 2.1.2 半导体应变电阻
• 2.1.3 悬臂梁的弯曲形变
• 2.2 压阻式加速度传感器
• 2.2.1 悬臂梁压阻式加速度传感器的结构
• 2.2.2 悬臂梁压阻式加速度计的数学模型
• 2.2.3 悬臂梁压阻式加速度计的传感原理
• 2.3 悬臂梁加速度敏感电阻的制作
• 2.4 用于测量加速度的直流电桥
• 2.4.1 直流电桥的电压灵敏度
• 2.4.2 直流桥的非线性误差及其补偿方法
• 2.5 信号放大电路
• 2.6 悬臂梁压阻式加速度传感器的机械特性
• 2.7 本章小结
• 3 新型悬臂梁压阻式加速度计量程改进的分析与设计
• 3.1 量程改进的依据
• 3.2 静电力平衡的原理
• 3.2.1 静电力的作用
• 3.2.2 脉宽调制的静电伺服电路
• 3.3 差动电容与电场力
• 3.4 扩程所需的静电力来源
• 3.5 扩程申请的实现
• 3.6 扩程时的几点说明
• 3.7 加速度传感器与单片机接口的硬件设计
• 3.7.1 差动输入模块和调理放大模块
• 3.7.2 A/D转换与单片机接口电路
• 3.7.3 脉宽调制器
• 3.8 加速度计的计量拟标定
• 3.9 本章小结
• 4 悬臂梁压阻式加速度计的结构优化与仿真
• 4.1 悬臂梁压阻式加速度计的仿真
• 4.1.1 悬臂梁加速度计的基本参数
• 4.1.2 梁膜结合结构的仿真
• 4.1.3 固有频率计算与仿真
• 4.2 悬臂梁加速度计的结构优化
• 4.3 悬臂梁优化结果与分析
• 4.4 悬臂梁压阻式加速度计结构参数的确定
• 4.5 本章小结
• 5 压阻式加速度传感器的温度特性
• 5.1 温度补偿原理
• 5.2 加速度计的温度补偿方法
• 5.3 加速度计灵敏度温飘补偿方法
• 5.4 零点漂移的利用和抑制
• 5.4.1 零点电漂移的利用
• 5.4.2 零点电漂移的抑制
• 5.5 灵敏度电压非线性理论分析
• 5.6 本章小结
• 6 MEMS器件的制作工艺
• 6.1 MEMS器件的制作技术
• 6.1.1 常用的制作MEMS器件技术
• 6.1.2 超精密加工及特种加工技术
• 6.1.3 表面微加工技术
• 6.1.4 体微加工技术
• 6.1.5 LIGA技术
• 6.2 悬臂梁的制作工艺
• 6.2.1 双材料微梁阵列的制作工艺
• 6.2.2 压阻式加速度传感器的制作工艺
• 6.3 MEMS的封装技术
• 6.3.1 裸片级封装（Die Level）
• 6.3.2 器件级封装（Device Level）
• 6.3.3 圆片级封装（Wafer Level Packaging）
• 6.4 MEMS的封装设备
• 6.5 本章小结
• 7 结论
• 7.1 完成的工作及创新点
• 7.2 取得的结果
• 7.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录