電磁激勵(lì)的硅微諧振器的研究.pdf

1、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)以微電子及微機(jī)械加工技術(shù)為依托，涉及微電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、力學(xué)、自動(dòng)控制學(xué)、材料科學(xué)等多種工程技術(shù)和學(xué)科。MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、性能優(yōu)良、功能強(qiáng)大、可批量生產(chǎn)等傳統(tǒng)傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。其中硅微諧振式傳感器利用了硅諧振器的機(jī)械振動(dòng)參數(shù)(振幅，相位，阻尼，頻率)與待測(cè)物理量之間存在的函數(shù)關(guān)系來(lái)敏感，檢測(cè)一些物理量。微諧振式傳感器具有精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高且易于與數(shù)字電路接口的特點(diǎn)

2、。硅微機(jī)械的諧振器作為微諧振式傳感器的核心部件，一直是人們研究的重點(diǎn)對(duì)象。 要設(shè)計(jì)好一個(gè)硅微諧振器，一是要選擇合適的激勵(lì)、拾振方式；二是要設(shè)計(jì)好能夠與之相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，以及加工工藝步驟。三是要設(shè)計(jì)好外圍電路實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)和閉環(huán)自激系統(tǒng)。本論文首先總結(jié)、綜述了現(xiàn)有硅微諧振器的結(jié)構(gòu)、激勵(lì)、檢測(cè)方式，開(kāi)環(huán)檢測(cè)/閉環(huán)自激電路并在此基礎(chǔ)上提出設(shè)計(jì)了一些以電磁激勵(lì)、電磁檢測(cè)為主的硅微諧振器結(jié)構(gòu)，并且完成流水工作。 為了解決電磁激勵(lì)外

3、加磁場(chǎng)時(shí)，永磁體給微諧振器的制造、封裝帶來(lái)的麻煩。本文提出了一種利用通電導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生內(nèi)部磁場(chǎng)的想法。并且在理論上推導(dǎo)計(jì)算了其產(chǎn)生內(nèi)部磁場(chǎng)和磁場(chǎng)力的大小。為了消除由于各種簡(jiǎn)化給模型帶來(lái)的誤差。本文利用有限元軟件，建立了更進(jìn)一步精確的模型，并進(jìn)行了有限元分析。在以雙端固支梁為基本結(jié)構(gòu)的前提下，針對(duì)通電直導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生內(nèi)部磁場(chǎng)進(jìn)行電磁激勵(lì)的情況進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。一方面利用對(duì)稱(chēng)疊加解決了單根通電導(dǎo)線(xiàn)激勵(lì)是，由于電流方向改變帶來(lái)的吸引力與排斥力大小不等的情況

4、；另一方面同向疊加盡可能增大了受激梁處的磁場(chǎng)大小和所受磁場(chǎng)力的大小。 在分析振動(dòng)系統(tǒng)的諧振情況時(shí)，本文借用了等效力和機(jī)電模擬的概念。將單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的三個(gè)基本參數(shù)質(zhì)量、阻尼、剛度轉(zhuǎn)化為等效力。并且將機(jī)械系統(tǒng)與電學(xué)系統(tǒng)中的電感、電容、電阻對(duì)應(yīng)，分別建立阻抗模型和導(dǎo)納模型。利用此模型得出位移、速度、加速度三種諧振響應(yīng)與結(jié)構(gòu)固有頻率相比較，得出速度響應(yīng)是用來(lái)檢測(cè)結(jié)構(gòu)固有頻率最佳響應(yīng)方式。而作為電磁檢測(cè)的檢測(cè)信號(hào)正式與速度響應(yīng)相關(guān)的。

5、 本文主要設(shè)計(jì)的是以雙端固支梁為主、結(jié)合一些變形梁的梁結(jié)構(gòu)。針對(duì)固支梁結(jié)構(gòu)，本文利用經(jīng)典的伯努利方程計(jì)算其結(jié)構(gòu)各階模態(tài)的本征頻率。但同時(shí)也利用有限元軟件分析了其各階模態(tài)的本征頻率和在受力情況下的應(yīng)力應(yīng)變情況。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，也在此指導(dǎo)下設(shè)計(jì)了部分壓阻檢測(cè)的梁結(jié)構(gòu)。 本文流水的微諧振粱結(jié)構(gòu)主要是在中國(guó)電子集團(tuán)第55所和本實(shí)驗(yàn)室的工藝間完成。本文分別設(shè)計(jì)了以SOI硅片、犧牲層釋放為基礎(chǔ)的工藝方案一和以單片硅片、背面濕法腐蝕釋放