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1、 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 基于SOI技术的MEMS惯性 加速度计 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 研究内容： 1、设计基于SOI技术的电容式微加速度计结构 ； 2、建立电容式加速度计结构系统模型和相应结 构特性仿真分析； 3、给出硅膜悬空无衬底结构的电容式微加速度 计器件制作加工工艺流程。 No
2、rth University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement SOI (Silicon-on-Insulator)技术材料： SOI指的是绝缘层上的硅，其结构可以是绝缘衬底加 顶层单晶Si层的双层结构，也可以是以绝缘薄层为中间 层的三层结构，该结构材料可使器件与衬底材料相隔离 绝缘。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement SOI技术材料的优点
3、： 1、寄生PN效应小，结构器件层与衬底之间有绝缘层相 隔离，减小或消除了器件中寄生PN结效应； 2、电子转移速度高，埋氧层的绝缘作用和隔离作用使 整个器件的工作速度大大提高了； 3、功耗低，SOl器件中寄生电容小，使整个器件的漏 电流减小了，同时静态和动态功耗也大大减少了； 4、抗辐射能力强，使辐射下产生的少数载流子数目相 应的减少了三个数量级； 5、消除了闭锁效应，提高了电路的稳定性，便于器件 与电路的兼容设计与制造。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurem
4、ent 本课题研究意义： 硅微加速度计的稳定性和量程往往是相互矛盾的： 量程设计高了，系统稳定性就相对变差了；而量程较低 时，系统可能较稳定。这是因为，决定加速度计量程的 参数也是影响系统稳定性的参数因素，并且互相制约。 同时，这些参数还受到加速度计结构系统所在大环境的 影响，所以针对提高器件速度、降低器件功耗、减小误 差、减化制造加工工艺，减小器件尺寸等这些SOI技术 的优点，对基于SOI技术的MEMS惯性加速度计系统结 构的研究具有十分重要和关键的研究意义。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Scienc
5、e & Dynamic Measurement MEMS惯性加速度计的类型： 压阻式： 电容式： 隧道式： 谐振式： 热对流式： 压电式： North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 三明治式 跷跷板式（ 扭摆式） 梳齿式 North University of China Key
6、Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 梳齿式电容微加速度计基本原理： 电容式加速度计的电容结构从电学角度是以等效为一 对串联在一起的电容，从而可得到差动电容信号，其中敏 感质量块为串联电容的公共端。 当没有外界加速度输入时，敏感质量块处于静止状态 ，即敏感质量块在平衡位置。此时，中央动极板与两个固 定极板间的间距分别为df1和df2，故
7、静态电容分别为： North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 当有外界加速度a作用时，质量块受到外界加速度引 起的惯性力而产生的位移为d，电容间隙相应产生变化 ，从而电容值的大小改变为： North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 此时，有ma=Kd，m为敏感质量元件质量，K为梁 的刚度，a为外界加速度载荷，d为敏感质量块在外
8、载 荷作用下所产生的位移。 设df1=df2，则加速度计的分辨率为： North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 弹性梁结构设计： 弹性梁结构形状设计与选择的原则和依据： 1、依据检测和工作原理选择恰当的弹性梁形状和支撑 结构。 2、依据结构尺寸要求选择合适的弹性梁支撑结构形式 。 3、依据检测模态选择合适的支撑结构形式。 4、依据加工工艺能力和加工水平条件来选择合适的弹 性梁支撑结构。 North University of China Key Labora
9、tory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 上图为U型折叠梁结构模型，梁长A1B1=AB=CD= C1D1=Lb，梁宽为Wb，结构梁厚度为h，折叠梁折叠部 分的粱A1A和D1D很短，折叠部分梁(即短梁)的影响 可以忽略。整个微加速度计结构的弹性梁在敏感方 向的总刚度相当于两个U型折叠梁刚度的并联，因此 ，U型折叠梁的刚度为： North Universi
10、ty of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 梳齿式微加速度计结构的固有频率为： 由此，可得至UMEMS微加速度计固有频率随弹性梁梁长 和梁宽结构参数尺寸变化的曲线关系为： North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 增大梁的长度，减小梁的宽度，结构的谐振频 率减小，但提高了器件的分辨率；减小梁的长度， 增大梁的宽度，结构的谐振频率加大，稳定性提高 了，但
11、器件的分辨率和开环灵敏度降低了。 由上图可以看出，U型梁参数对微加速度计系 统结构的性能起着十分重要的作用，随着弹性梁宽 度的逐步增加，器件结构的谐振频率不断增大；而 随着梁长度的不断增加，器件结构的谐振频率不断 减少，U型梁的宽度和长度对微加速度计结构谐振 频率的影响作用十分显著。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement MEMS梳齿电容式加速度计结构设计： North University of China Key Laboratory of Inst
12、rumentation Science & Dynamic Measurement 定齿偏置梳齿状电容式微加速度计结构，其中 包括固定端(锚点)、含有阻尼孔的质量块、U型折 叠梁、活动梳齿结构。 North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 在1g加速度载荷作用下，器件在垂直于敏感方向的 结构变形位移为1.66e-4m，敏感方向的结构变形位移 为5.782e-3m。 North University of China Key Laboratory of Inst
13、rumentation Science & Dynamic Measurement 梳齿数目变化与电容值关系： 梳齿间距变化与电容值关系： North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement 测量电路设计： North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement North University of China Key Laboratory o
14、f Instrumentation Science & Dynamic Measurement 上下极板电容 ： 振荡发生信号 ： 差动输出信号 ： North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement MEMS梳齿电容式惯性加速度计工艺： North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement Notching效应，是指在刻蚀不同的槽宽时，为确保 相对较宽的槽的刻蚀完整准确，在窄槽两侧的梳齿结构 根部形成过刻蚀的情况。 克服Notching效应的方法： North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement
