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1、中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 31 页目 录LC 谐振式振动传感器设计及实现摘 要本文在对各种硅微加速度传感器特点进行比较的基础上，选择了差分电容式硅微加速度传感器作为研究对象。在对其工作原理和相关制作工艺进行了阐述和研究之后，设计出了一种对称的“四梁质量块”结构的差分电容式微加速度传感器。本文介绍了利用 LC 互感谐振原理来实现加速度信号的无线传输。用 ANSYS 有限元软件对加速度计的结构建立仿真模型。根据建立的差分电容式微加速度传感器的力学模型，利用有限元方法对其进行了静力学和动力学分析。最后，结合现有 MEMS 工艺，给出了差分电容式硅微加速度传感器的结构尺寸、工
2、艺流程。关键词：MEMS，电容式加速度传感器，有限元分析，LC 互感谐振传感器中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 31 页LC resonant vibration sensor design and realizationAbstractIn the dissertation, series types of micro-Si acceleration sensors were compared and the differential capacitive one was chosen to be studied. After its principle and fabri
3、cation process related were expounded, a symmetric “four cantilever beams-mass” structure was designed, which is characterized by better linearity and sensitivity compared with the traditional deformable-membrane sensor.Besides,it introduces the mutual inductance using LC resonance principle to achi
4、eve the wireless transmission of acceleration signal. Model of the accelerometer structure was established by ANSYS finite element software.After the mechanics model of the differential capacitive acceleration sensor was made, finite element method was used to simulate its behavior, both static and
5、dynamic.Finally, based on the MEMS technology presented, the structural dimension, fabricating process were introduced. Keywords: MEMS, the capacitance acceleration sensor, finite element analysis, LC mutual inductance resonant sensor中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 31 页1 绪言11.1 课题研究的背景及意义 .11.2 国内外研究现状 .1
6、1.3 本设计主要研究的内容 .22 LC 谐振式振动传感器的设计 32.1 传感器整体设计思路 .32.1.1 电容式传感器的常见检测电路.3 2.1.2 加速度信号传输的实现.4 2.1.3 振动信号远距离传输的实现.42.2 微机械加速度计的模型 .62.2.1 微机械加速度计的力学模型.6 2.2.2 微机械加速度计的数学模型.72.3 微机械电容式加速度计与电容改变方式的原理 .72.3.1 微机械电容式加速度计的工作原理.7 2.3.2 电容的改变方式与工作原理.82.4 LC 谐振式振动传感器设计 .102.4.1 芯片材料的选择.10 2.4.2 电感的设计.11 2.4.3
7、电容的设计.12 2.4.4 悬臂梁结构设计.13 3 LC 谐振式振动传感器的理论分析与计算 153.1 传感器的有限元建模与分析 .153.2 “四梁质量块”的静力学分析 .153.3 “四梁质量块”模态分析 .163.4 “二梁质量块”的静力学分析 .183.5 “二梁质量块”的模态分析 .194 LC 谐振式振动传感器的工艺流程204.1 加工所需关键工艺 .204.1.1 光刻.21 4.1.2 薄膜淀积.21 4.1.3 离子注入.22 4.1.4 腐蚀.22 4.1.5 静电键合技术.22 4.1.6 合金.2242 LC 谐振式振动传感器工艺流程.224.3 传感器的封装 .2
8、6中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 31 页4.3.1 封装形式.26 4.3.2 封装中需要注意的问题.27 5 总结与展望 285.1 总结 .285.2 展望 .28参 考 文 献29 致 谢 31中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 31 页 绪言绪言1.1 课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义随着硅微加工技术的不断成熟，硅加速度计已经在传感器市场占据着越来越重要的地位，小型化、智能化、集成化已成为加速度传感器的发展方向，其应用也已逐步扩展到了工业和航天技术等领域1-2。传感器技术的发展也对其外围检测电路提出了越来越高的要求，微小型化的传感器必然也要
9、求微小型化的外围电路与之相匹配；对微弱信号的检测能力更是成为衡量外围电路性能的一项重要指标。目前已发展了多种高温环境下使用的加速度传感器，但是整体效果并不理想，与国外相比我们的技术还差很多，缺少耐超高温（600以上）的传感器产品，而且稳定性较差。由于航空发动机结构复杂，传感器经常处于高温、高压、腐蚀等恶劣环境，能够满足上述要求的新型加速度传感器必须能耐高温、能用于发动机内部、能够有效防止油雾和电磁等环境干扰、能有长时间稳定工作的可靠性。其中高温测量技术是航空发动机测量的最关键技术之一，也是目前影响超高速飞行器及相关武器发展的瓶颈。高温环境下加速度测量技术不仅在航天领域急需解决，在工业、军事、发
10、电等领域也有广泛的应用3。本课题主要介绍了一种 LC 谐振式加速度传感器的高温测量技术，以实现高温加速度测量为主要目标，以非接触无源信号传输测试技术为主要思路，以高温悬臂梁结构制备为关键技术，以温度冲击振动测试系统为基础平台，最终形成完整的基于 LC 谐振原理的耐高温加速度传感器理论、设计、测试表征和结构制备技术体系，并通过热防护处理实现传感器的超高温测量目的。为核电、飞机引擎监测等实际应用中要求的超高温加速度测量需求打下坚实的理论和技术支撑。利用厚膜工艺和 MEMS 技术探索传感器芯片的批量化生产技术，针对传感器材料的选择和装配结构的设计，提出了高温环境下加速度传感器设计方法。该方案的进一步
11、实施有助于国内耐高温传感器产品的技术创新，有助于提高超高温环境下加速度测量的稳定性、便携性。1.2 国内外研究现状国内外研究现状传感器技术是一项快速发展的高新技术，它是新技术革命和信息社会的重要技术基础，已被许多工业发达国家列为国家科技和国防技术发展的重点内容。正是由于世界各国的普遍重视和投入开发，传感器技术发展速度非常迅猛。人们在利用先进电子技术提高现有传感器性能、降低其成本的同时，也在寻求传感器技术发展的新途径，中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 31 页研制开发各种基于新原理、新材料、新工艺的高精度、微型集成化、智能化、数字化的新型传感器4。自 1987 年第四届国际固态
12、传感器和执行器会议以来，由微加工技术与传统的传感器技术结合创立了微机械传感器和微执行器，开拓了微电子机械系统（MEMS）新领域。20 世纪 60 年代，MEMS 技术就开始应用于压力传感器、压电加速度传感器等领域。直到 1995 年，微机电系统 MEMS 振动传感器在结构安全检测中还没有报道。基于结构安全检测的迫切需求，加速度计、压敏或电容感应原理得到了极大的关注。可是，高能耗和精密的微机械技术成为研究工作的明显障碍。当前广泛应用的微振动传感器中，大都是基于电容式或压电式的工作原理，传感器在工作中会产生电流或电压，因此无法用于电磁环境的振动监测。能否在恶劣的条件下测量振动参数的能力已经越来越受到关注5-6。针对此问题，在一些文献和报道中提出了一些光振动传感
