电磁激励硅微谐振器的研究

《电磁激励硅微谐振器的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、摘要摘要微电子机械系统(姬MS)以微电子及微机械加工技术为依托，涉及微电子学、机械学、力学、自动控制学、材料科学等多种工程技术和学科。MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、性能优良、功能强大、可批量生产等传统传感器无法比拟的优点。其中硅微谐振式传感器利用了硅谐振器的机械振动参数(振幅，相位，阻尼，频率)与待测物理量之间存在的函数关系来敏感，检测一些物理量。微谐振式传感器具有精度高、稳定性好、可靠性高且易于与数字电路接口的特点。硅微机械的谐振器作为微谐振式传感器的核心部件，一直是人们研

2、究的重点对象。要设计好一个硅微谐振器，一是要选择合适的激励、拾振方式；二是要设计好能够与之相对应的结构，以及加工工艺步骤。三是要设计好外围电路实现开环检测系统和闭环自激系统。本论文首先总结、综述了现有硅微谐振器的结构、激励、检测方式，开环检测／闭环自激电路并在此基础上提出设计了～些以电磁激励、电磁检测为主的硅微谐振器结构，并且完成流水工作。为了解决电磁激励外加磁场时，永磁体给微谐振器的制造、封装带来的麻烦。本文提出了一种利用通电导线产生内部磁场的想法。并且在理论上推导计算了其产生内部磁场和磁场力的大小

3、。为了消除由于各种简化给模型带来的误差。本文利用有限元软件，建立了更进一步精确的模型，并进行了有限元分析。在以双端固支梁为基本结构的前提下，针对通电直导线产生内部磁场进行电磁激励的情况进行了优化设计。一方面利用对称叠加解决了单根通电导线激励是，由于电流方向改变带来的吸引力与排斥力大小不等的情况；另一方面同向叠加尽可能增大了受激梁处的磁场大小和所受磁场力的大小。在分析振动系统的谐振情况时，本文借用了等效力和机电模拟的概念。将单自由度振动系统的三个基本参数质量、阻尼、刚度转化为等效力。并且将机械系统与电学

4、系统中的电感、电容、电阻对应，分别建立阻抗模型和导纳模型。利用此模型得出位移、速度、加速度三种谐振响应与结构【刮有频率相比较，得出速度响应是用来检测结构周有频率最佳响应方式。而作为电磁检测的检测信号正式与速度响应相关的。本文主要设计的是以双端固支粱为主、结合一些变形梁的粱结构。针对固支梁结构，本文利用经典的伯努利方程计算其结构各阶模态的本征频率。但同时也利用有限元软件分析了其各阶模态的本征频率和在受力情况下的应力应变情况。在设计结构时，也在此指导下设计了部分压阻检测的梁结构。本文流水的微谐振梁结构主要

5、是在中国电子集团第55所和本实验室的工艺间完成。本文分别设计了以SOI硅片、牺牲层释放为基础的工艺方案一和以单片硅片、背面湿法腐蚀释放为基础的工艺方案二。最后依据：[艺方案二进行了流水。并且自己结合机械夹具和ABS胶正面保护完成微谐振梁的背面湿法腐蚀释放。关键词：电磁激励、硅微谐振器、有限元分析、背面湿法腐蚀东南大学硕士学位论文AbstractMiero-eleetronicmechaniealSystern(MEMS)isbasedonmicro-machiningtechnologyreferri

6、ngtomanysortsofengineeringtechnologies＆subjects，such雒：mierceleetronics，mechanics．automation,MaterialsScience．MEMSdevice＆systemischaracterizedbyitssmallsize，aghtweight，lowpowerconsumption，excellentstability＆performance，batchfabrication，comparedwithnorlna

7、lsensors．Siliconmierot．esonantsensofsmeaslLresomephysicalquantitybythefunctionbetweenoscillationparameter(amplitude，phase，damp，frequency)andn】easurcdphysicalquantity．Asahardcoreofmicror嚣onant鲫蝴’siliconn[1ieroresonatorisaresearchpoint．Todesignallexcellen

8、tsiliconmieroresonator,first,wehavetochoosepropertypeofexciting&detectiveway,second．wehavetodesigncomparedstructureandprocessflow,third．wehavetOdesignopenloopdetectionsystemorclosedloopself-excitationsystem．Thestructures，thesorts