基于氮化铝的压电谐振式MEMS加度计研究

发布时间：2020-07-02 11:41

【摘要】：本论文提出了 一种基于氮化铝材料的压电谐振式MEMS加速度计,包括理论整理与分析,有限元仿真与优化,加工和实验测试。传感器基于压电驱动的DETF(Double-Ended Tuning Fork,双端音叉)谐振器。谐振器的谐振梁上覆盖了氮化铝压电薄膜,压电薄膜上端沉积特定形状的金属电极,将金属电极以及掺杂硅作为两极施加激励信号,可以完成对谐振器的驱动。加速度计的设计中也采用了两级柔性杠杆,用于放大质量块所产生的惯性力,大幅增加谐振器的灵敏度,并通过中心对称的布置结构,使得在最优利用空间的同时,进一步提升谐振器的灵敏度。谐振式加速度计被置于室温以及4mTorr的真空度下,通过网络分析仪测得左端谐振器的谐振频率为140.744kHz,右端谐振器的谐振频率为140.786kHz。在-1g至1g的范围内,左侧谐振器的灵敏度为13.6Hz/g,右侧谐振器的灵敏度为14.8Hz/g,器件灵敏度为28.4Hz/g。相比之前报道过的最佳性能,本设计的绝对灵敏度(Hz/g)提高了 57%,相对灵敏度(ppm)提高了 267%。本论文还针对传统"单端驱动"的DETF谐振器进行了优化,提出了"双端驱动"模式,相比传统驱动方式,其谐振时的相位变化增加了 10.5°/190%,平面内的振幅增加了 35%,平面外振幅的增加被限制在11%。全文分为7章,各章内容分述如下:第一章,介绍了 MEMS加速度计的发展历史、趋势、种类,说明了各类型器件的原理与特点。接着通过列举具有代表性的典型设计,重点介绍了静电与压电式MEMS谐振式加速度计在国内外的研究现状,并基于目前MEMS加速度计的发展与研究趋势,确定了将基于氮化铝材料的压电谐振式MEMS加速度计作为研究方向。第二章,介绍了基于氮化铝的压电谐振式MEMS加速度计的设计,整理并总结了 1.计算谐振器谐振频率、灵敏度的数学模型,2.以压电方式驱的加速度计谐振器的设计方法,3.计算多级柔性杠杆放大因子的数学模型,基于整理与总结结果对谐振器、驱动电极以及多级柔性杠杆进行了优化,并通过COMSOL软件进行了仿真,完成了加速度计的整体设计。第三章,介绍了用于本加速度计加工的PiezoMUMPs工艺流程,包括8个主要步骤与用于加工加速度计的5张掩膜版。第四章,介绍了用于本加速度计测试的设备,仪器与方法。第五章,展示了本加速度计的各项性能测试结果,包括-1g至1g加速度下灵敏度的静态灵敏度测试,非线性测试,温度漂移测试,真空与大气压下谐振信号的对比测试。第六章,在传统的谐振器"单端驱动"的模式下,提出了一种新型的DETF谐振式驱动模式,完成新谐振器的设计、加工以及测试。论文的第七章对本论文的工作进行了全面总结与整理,进一步阐明了本论文的创新点以及取得的成果,同时也对其中的不足以及未来可进一步开展的工作进行了展望。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH824.4

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本文编号：2738156