MEMS谐振式电荷传感器

发布时间：2017-03-29 17:09

  本文关键词：MEMS谐振式电荷传感器，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本论文提出了一种带有柔性微杠杆的MEMS谐振式电荷传感器,包括理论分析、仿真优化、加工和实验验证。传感器基于DETF (Double-ended Tuning Fork)谐振器,谐振器工作在反向谐振模态,通过电容进行驱动和感应,在室温和40 mTorr的真空度下,测得谐振频率为139 kHz, Q值大于4900。引入柔性微杠杆的目的在于放大输入力,从而增大电荷传感器的灵敏度,通过理论和有限元仿真分析,得到柔性微杠杆的放大倍数大于8。电荷输入极板与微杠杆的输入端偶合成电容,当在电荷输入极板施加电荷时,电容极板间产生静电力,经过微杠杆的放大和变向后压在DETF的梁上,导致梁刚度的减小,从而引起谐振频率的下降。电荷的输入量与谐振频率的变化量之间呈二次方关系,灵敏度为1.3×10-3 Hz/fC2,分辨率为21fC。试验结果证明,引入的两柔性微杠杆在没有引入电路噪声的情况下,有效地提高了传感器的灵敏度,同时,本论文还对谐振器的静电刚度软化和非线性进行了实验测试和分析。为了同时实现电荷传感器的高分辨率和宽动态范围,本论文首次提出了采用静电式驱动器作为灵敏度调节机构的设计方案,对不同的电荷输入量,采用不同的灵敏度,既可以把初始灵敏度设计的很高,实现高分辨率,又可以在高输入电荷量的情况下,采用低灵敏度,避免因电荷量过高而引起非线性,甚至器件的损坏。通过实验测试,电荷传感器的最高灵敏度为1.03×10-2 Hz/fC2,分辨率达到了1fC以下,当在驱动器上施加40 V的直流电压时,可调电容的变化量为9.7fF,传感器的灵敏度被调节了91.6%。本论文共分六章,各章内容分述如下：论文第一章介绍了MEMS谐振器的定义、分类和应用等概况,详细推导了静电式谐振器的力学模型和等效电路模型,同时也介绍了静电式谐振器的常见类型和性能参数；之后总结了电荷传感器的研究现状,以及MEMS谐振式电荷传感器的优势和研究意义；最后系统地总结了本论文的工作。论文的第二章提出了器件的创新结构设计,对器件进行了详细的理论分析,包括微杠杆的放大倍数、谐振器的计算分析和传感器的响应等。之后通过有限元方法对器件的关键参数进行了仿真优化,确定了器件的具体参数。论文的第三章介绍了器件的微加工过程,本论文中的器件都是基于SOI (Silicon-on-Insulator)工艺,采用了两种不同的方法释放可动结构,即背部释放和前部释放。论文的第四章介绍了器件的测试方法,搭建了器件测试所需要的真空环境,并对器件进行了全面的测试,包括谐振器的性能,谐振器的静电刚度软化现象,非线性以及传感器的灵敏度等,并对测试结果进行了分析。论文的第五章提出了一种可以同时实现高分辨率和宽动态范围的电荷传感器,首次引入了灵敏度调节机构,解决了高分辨率和宽动态范围之间的矛盾,并对器件进行了加工和实验验证。论文的第六章对本论文的工作进行了全面的总结,进一步阐明了本论文的创新点和取得的成果,同时也对本论文的不足之处与未来的工作进行了展望。
【关键词】：MEMS 谐振器 电荷传感器 微杠杆 高分辨率 宽动态范围
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH-39;TP212
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-23
• 1.1 MEMS谐振器简介11
• 1.2 静电式谐振器11-19
• 1.2.1 理论模型11-15
• 1.2.2 谐振器的常见类型15-18
• 1.2.3 谐振器的性能参数18-19
• 1.3 电荷传感器简介19-22
• 1.4 本论文工作22
• 1.5 本章小结22-23
• 2 电荷传感器的设计23-36
• 2.1 本研究中器件的结构设计24-26
• 2.2 器件的理论分析26-31
• 2.2.1 柔性杠杆放大倍数的理论推导26-27
• 2.2.2 谐振器的理论模型27-29
• 2.2.3 谐振器梁在轴向力作用时的弹簧系数29-31
• 2.3 器件的仿真优化31-35
• 2.3.1 杠杆输出梁及支点梁长度的分析及优化31-32
• 2.3.2 支点位置的分析及优化32-33
• 2.3.3 电荷传感器的灵敏度分析33-35
• 2.4 本章小结35-36
• 3 器件的加工36-41
• 3.1 背部释放的加工工艺36-39
• 3.2 前部释放的工艺39
• 3.3 本章小结39-41
• 4 器件的测试41-48
• 4.1 DETF谐振器的性能42-43
• 4.2 器件的静电刚度软化43-44
• 4.3 器件的非线性44-45
• 4.4 电荷传感器的灵敏度45-47
• 4.5 本章小结47-48
• 5 高灵敏度和宽动态范围的电荷传感器48-54
• 5.1 器件的设计48-50
• 5.2 器件的加工50-51
• 5.3 器件的测试结果和分析51-52
• 5.4 本章小结52-54
• 6 总结和展望54-56
• 6.1 论文总结54
• 6.2 研究展望54-56
• 参考文献56-64
• 作者在学习期间取得的科研成果64-65

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