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文檔簡介
1、本論文提出了一種基于氮化鋁材料的壓電諧振式MEMS加速度計,包括理論整理與分析,有限元仿真與優(yōu)化,加工和實驗測試。傳感器基于壓電驅(qū)動的DETF(雙端音叉)諧振器。諧振器的諧振梁上覆蓋了氮化鋁壓電薄膜,壓電薄膜上端沉積特定形狀的金屬電極,將金屬電極以及摻雜硅作為兩極施加激勵信號,可以完成對諧振器的驅(qū)動。加速度計的設(shè)計中也采用了兩級柔性杠桿,用于放大質(zhì)量塊所產(chǎn)生的慣性力,大幅增加諧振器的靈敏度,并通過中心對稱的布置結(jié)構(gòu),使得在最優(yōu)利用空間的
2、同時,進一步提升諧振器的靈敏度。
諧振式加速度計被置于室溫以及4mTorr的真空度下,通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測得左端諧振器的諧振頻率為140.744kHz,右端諧振器的諧振頻率為140.786kHz。在-1g至1g的范圍內(nèi),左側(cè)諧振器的靈敏度為13.6Hz/g,右側(cè)諧振器的靈敏度為14.8Hz/g,器件靈敏度為28.4Hz/g。相比之前報道過的最佳性能,本設(shè)計的絕對靈敏度(Hz/g)提高了57%,相對靈敏度(ppm)提高了267%。<
3、br> 本論文還針對傳統(tǒng)“單端驅(qū)動”的DETF諧振器進行了優(yōu)化,提出了“雙端驅(qū)動”模式,相比傳統(tǒng)驅(qū)動方式,其諧振時的相位變化增加了10.5°/190%,平面內(nèi)的振幅增加了35%,平面外振幅的增加被限制在11%。
第一章介紹了MEMS加速度計的發(fā)展歷史、趨勢、種類,說明了各類型器件的原理與特點。接著通過列舉具有代表性的典型設(shè)計,重點介紹了靜電與壓電式MEMS諧振式加速度計在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,并基于目前MEMS加速度計的發(fā)展與研
4、究趨勢,確定了將基于氮化鋁材料的壓電諧振式MEMS加速度計作為研究方向。
第二章介紹了基于氮化鋁的壓電諧振式MEMS加速度計的設(shè)計,整理并總結(jié)了1.計算諧振器諧振頻率、靈敏度的數(shù)學(xué)模型,2.以壓電方式驅(qū)的加速度計諧振器的設(shè)計方法,3.計算多級柔性杠桿放大因子的數(shù)學(xué)模型,基于整理與總結(jié)結(jié)果對諧振器、驅(qū)動電極以及多級柔性杠桿進行了優(yōu)化,并通過COMSOL軟件進行了仿真,完成了加速度計的整體設(shè)計。
第三章介紹了用于本加速度
5、計加工的PiezoMUMPs工藝流程,包括8個主要步驟與用于加工加速度計的5張掩膜版。
第四章介紹了用于本加速度計測試的設(shè)備,儀器與方法。
第五章展示了本加速度計的各項性能測試結(jié)果,包括-1g至1g加速度下靈敏度的靜態(tài)靈敏度測試,非線性測試,溫度漂移測試,真空與大氣壓下諧振信號的對比測試。
第六章在傳統(tǒng)的諧振器“單端驅(qū)動”的模式下,提出了一種新型的DETF諧振式驅(qū)動模式,完成新諧振器的設(shè)計、加工以及測試。<
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