盘结构电容式MEMS谐振器相关性能研究
本文选题:MEMS圆盘谐振器 + 可靠性 ; 参考:《杭州电子科技大学》2015年硕士论文
【摘要】:微机电系统(MEMS)由于具有体积小、集成度高以及与IC工艺兼容性好等优点,因而广泛应用于汽车导航、生物医学以及军事领域等。在众多MEMS器件中,电容式圆盘谐振器由于具有功耗低、谐振频率高、Q值高等优势,已逐步取代传统石英晶体基准并广泛应用于振荡器、滤波器等无线通信系统中。据此,本文对电容式圆盘谐振器进行了系统的研究。第1章阐述了研究的目的和意义。首先介绍了MEMS的基本系统组成、主要特点以及发展状况;然后简要说明了MEMS的制造工艺;接着介绍了MEMS的应用以及相关产品;再者,针对研究的MEMS圆盘谐振器,介绍了几种常见的谐振器;最后简单说明了文章所需分析的内容与安排。第2章研究了MEMS圆盘谐振器的基本原理。首先介绍了圆盘谐振器的基本运行原理;然后重点分析了圆盘谐振器的主要参数:谐振频率、有效质量、运动电阻、品质因数、输出电流以及功率处理能力等;最后,分析了圆盘谐振器的等效电子电路以及静电弹簧软化效应。第3章研究了强惯性冲击下MEMS圆盘谐振器的可靠性。首先对双端支撑的圆盘谐振器的结构进行了简要分析;然后对圆盘谐振器分别受到阶跃加速度和脉冲加速度下的可靠性进行了理论分析;最后,通过文献中的特定圆盘尺寸,得出了不同偏置电压下圆盘所能承受的最大惯性加速度;结果表明,当外界阶跃冲击为13000g时,谐振器可靠性降低为原来的75%;而当圆盘受到脉冲冲击时,若脉冲宽度与幅度乘积为10000μm/s,圆盘的可靠性降为原来的85%。第4章研究了形变对圆盘谐振器的电气刚度影响。重点研究了圆盘分别受到径向静电力、纵向惯性力时的形变量,并以此分析电气刚度的改变量;研究结果表明:当圆盘受到径向静电力时,若间隙降为50nm且电压达到50V,径向形变量可以达到间隙的2.05%,电气刚度改变6.15%;当圆盘受到纵向惯性力时,若圆盘的半径为100μm且惯性加速度为10000g,其最大形变量可以达到圆盘厚度的2.4%,电气刚度改变2.4%。第5章研究了DRIE工艺下的倾斜效应对MEMS圆盘谐振器的影响。首先分析了DRIE工艺下的倾斜效应形成原理;其次分析了倾斜效应对圆盘谐振器的电容量、静电力、电气刚度、运动电阻和输出电流的影响,并进行了相应的ANSYS仿真;结果表明,当倾斜角度为0.1o??时,实际电容量、静电力、电气刚度和输出电流减小为原来的0.76、0.6、0.47和0.32,而运动电阻变为原来的3.15倍;最后,分别计算了倾斜效应对单个圆盘以及圆盘阵列谐振频率的影响,得到了静电调谐所需的最优调谐电压;结果表明,当倾斜角度为=0.3o?时,其最优调谐电压能达到450V;而要使运动电阻降到50?,阵列耦合的圆盘个数要达到715个,调谐电压高达469V。第6章总结了全文的研究成果并分析了论文中的不足,并且对后续工作进行了展望。
[Abstract]:Because of its advantages of small size, high integration and good compatibility with IC process, MEMS has been widely used in automotive navigation, biomedical and military fields. Among many MEMS devices, capacitive disk resonators have been gradually replaced by traditional quartz crystal reference and widely used in wireless communication systems such as oscillators and filters because of their advantages of low power consumption, high resonant frequency and high Q value. Accordingly, the capacitive disk resonator is systematically studied in this paper. Chapter 1 describes the purpose and significance of the research. This paper first introduces the basic system composition, main characteristics and development status of MEMS; then briefly describes the manufacturing process of MEMS; then introduces the application of MEMS and related products; thirdly, aiming at the studied MEMS disk resonator, Several common resonators are introduced, and the content and arrangement of the analysis are briefly explained. In chapter 2, the basic principle of MEMS disk resonator is studied. This paper introduces the basic operation principle of disk resonator, and then analyzes the main parameters of disk resonator, such as resonant frequency, effective mass, motion resistance, quality factor, output current and power processing ability. The equivalent electronic circuit of disk resonator and the softening effect of electrostatic spring are analyzed. In chapter 3, the reliability of MEMS disk resonator under strong inertial shock is studied. Firstly, the structure of the disk resonator supported by two ends is analyzed briefly; then, the reliability of the disk resonator under step acceleration and pulse acceleration is analyzed theoretically. The maximum inertia acceleration of the disk under different bias voltages is obtained. The results show that the reliability of the resonator decreases to 75g when the external step impact is 13000g, and when the disk is impacted by the pulse, If the product of pulse width and amplitude is 10000 渭 m / s, the reliability of the disk will be reduced to 85kum. In chapter 4, the effect of deformation on the electrical stiffness of disk resonator is studied. The shape variables of the disk subjected to radial electrostatic force and longitudinal inertial force are studied, and the change of electrical stiffness is analyzed. The results show that: when the disk is subjected to radial static force, If the gap is reduced to 50nm and the voltage reaches 50 V, the radial variable can reach 2.05 of the gap, and the electrical stiffness changes 6.15. When the disk is subjected to longitudinal inertia force, If the radius of the disk is 100 渭 m and the inertia acceleration is 10000g, the maximum shape variable can reach 2.4% of the disk thickness, and the electrical stiffness changes 2.4g. In chapter 5, the effect of tilt effect on MEMS disk resonator under DRIE process is studied. Firstly, the formation principle of tilt effect in DRIE process is analyzed. Secondly, the influence of tilting effect on the capacitance, static power, electrical stiffness, motion resistance and output current of disk resonator is analyzed, and the corresponding ANSYS simulation is carried out. When the tilt angle is 0. 1 oC? The actual capacitance, static power, electrical stiffness and output current are reduced to 0.76U 0.6N 0.47 and 0.32, while the motion resistance is 3.15 times of the original. Finally, the effects of tilt effect on the resonant frequencies of single disk and disk array are calculated, respectively. The optimal tuning voltage for electrostatic tuning is obtained, and the results show that when the tilt angle is 0.3o? The optimal tuning voltage can reach 450 V, and to reduce the motion resistance to 50 V, the number of array coupling disks and tuning voltage are 715 and 469 V respectively. Chapter 6 summarizes the research results, analyzes the shortcomings of the thesis, and looks forward to the follow-up work.
【学位授予单位】:杭州电子科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TH-39
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 樊尚春;刘广玉;王振均;;应用轴对称壳谐振子作为角速度敏感器的研究[J];中国惯性技术学报;1990年00期
2 黄春佳;;非全同谐振子的耦合体系[J];长沙电力学院学报(自然科学版);1997年01期
3 马天义,王志林,任广斌;线性谐振子量子状态讨论[J];佳木斯大学学报(自然科学版);2002年03期
4 李瑞芳;;q—形变谐振子的量子隐形传输[J];内蒙古科技与经济;2005年22期
5 凌瑞良;;无外界驱动力阻尼谐振子的量子力学处理[J];常熟理工学院学报;2006年06期
6 任顺清;赵洪波;;谐振子密度偏差引起的频率裂解的分析[J];哈尔滨工业大学学报;2012年03期
7 樊尚春,刘广玉,王振均;轴对称壳谐振子振型的进动研究[J];仪器仪表学报;1990年02期
8 许晶波,钱铁铮;质量与频率随时间变化的受迫谐振子的相干态[J];浙江大学学报(自然科学版);1991年03期
9 樊尚春;;缺陷半球壳谐振子振动特性的研究[J];中国惯性技术学报;1991年01期
10 许晶波,包吉明;受迫含时谐振子的传播子[J];浙江大学学报(自然科学版);1994年02期
相关会议论文 前8条
1 李环;刘顺生;马爱群;;三维谐振子的双波描述[A];加入WTO和中国科技与可持续发展——挑战与机遇、责任和对策(上册)[C];2002年
2 马爱群;李环;刘顺生;;三维谐振子的双波描述[A];第九届全国量子光学学术报告会摘要集(Ⅱ)[C];2000年
3 陈曦;;宏观谐振子纠缠态构造与量子通信[A];第十六届全国量子光学学术报告会报告摘要集[C];2014年
4 夏丽莉;陈立群;;离散非线性谐振子的Lie点对称性与守恒量[A];第十四届全国非线性振动暨第十一届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议摘要集与会议议程[C];2013年
5 韩文述;卢慧筠;;核三团分子态的分析[A];第五次核物理会议资料汇编(中册)[C];1982年
6 郑仁蓉;金华;李君清;;低频周期驱动八极形变的经典混沌现象[A];第十二届全国核物理大会暨第七届会员代表大会论文摘要集[C];2004年
7 王力纬;;激光的本质及应用[A];中国光学学会2011年学术大会摘要集[C];2011年
8 王力纬;;光量子的实质[A];2007年中国青年光学学术研讨会论文摘要集[C];2007年
相关博士学位论文 前4条
1 赵洪波;半球谐振子频率裂解分析与陀螺仪误差抑制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
2 赵洪波;半球谐振陀螺仪误差机理分析与误差抑制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
3 杨程稀;非理想条件下的量子操控[D];清华大学;2010年
4 贺彦章;对若干类型少体系统的研究[D];中山大学;2001年
相关硕士学位论文 前10条
1 张芳;时间相关的谐振子动力学研究[D];兰州大学;2011年
2 马如宇;一种基于模式及其转化的电磁分析方法研究和应用举例[D];哈尔滨工业大学;2015年
3 邵宗乾;耗散引发的简谐振子的跃迁[D];宁波大学;2015年
4 俞权;盘结构电容式MEMS谐振器相关性能研究[D];杭州电子科技大学;2015年
5 孙利辉;非马尔可夫库中谐振子系统的三模纠缠和压缩[D];华中师范大学;2009年
6 郭伟;适用于磁共振无线能量传输系统的谐振子模型研究[D];北京交通大学;2014年
7 徐晓飞;电磁场中的二维各向同性谐振子的任意态演化[D];宁波大学;2012年
8 于丹;一维谐振子在坐标表象中的表示[D];大连理工大学;2002年
9 李淑红;含时受迫谐振子薛定谔方程的精确解[D];山西大学;2003年
10 李子昂;半球陀螺谐振子的力学性能及振动特性分析[D];哈尔滨工业大学;2007年
,本文编号:1848064
本文链接:https://www.wllwen.com/jixiegongchenglunwen/1848064.html