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多弹簧悬臂结构微加速度传感器的设计与制备

2020-12-02阅读(1016)

多弹簧悬臂结构微加速度传感器的设计与制备

论文摘要

加速度传感器是惯性测量系统的核心部件,在矿产、油气田资源勘探等地质勘探方面有着广泛的应用。随着地质结构勘探对精度要求的不断提高,传统用于地质勘探的加速度计已无法满足微震检测日益提高的检测要求。微机电系统（Micro Electro Mechanical System,MEMS）加速度传感器为地震勘探的发展提供了新的助力。MEMS加速度传感器以单晶硅为机械结构本体,具有结构稳定、高弹性模量、高Q值等优点。但是,目前的MEMS加速度传感器都追求微型化,结构设计受到限制,对于微震检测存在检测精度较低等缺点。本研究设计制备一款谐振频率在10Hz左右,以微小地震信号检测为目标的多弹簧、大质量块悬臂结构加速度传感器,主要研究内容如下:1、设计了电容式多弹簧质量块加速度传感器的敏感元件对敏感元件硅体结构进行COMSOL仿真分析表明其的固有频率为10.56Hz;敏感元件质量块在重力作用下的下沉量为70微米。敏感元件的硅体结构上表面包含两个金属层,两个绝缘层、一个欧姆接触层;金属层Ⅱ包含阵列电容极板、反馈线圈、电信号导出线路。其中阵列电容极板及反馈线圈设计在质量块上表面。2、磁力反馈控制结构设计在敏感元件的质量块上设计尺寸为14mm×8mm、总长度约1.5m的反馈线圈,该线圈置于外加均匀磁场中实现对质量块的磁场力反馈控制,单个反馈磁铁单元由两个长宽高为20×9×4 mm的钕铁硼磁铁和一个长宽高为20×20×5mm的纯铁组成,通过MAXWELL仿真计算表明,该反馈磁铁可产生在6.4mm×18mm矩形区域内磁场强度为0.68T、磁场均匀性为10-2的均匀磁场,可覆盖敏感元件上的反馈线圈。3、MEMS加速度传感器敏感元件的制备经过清洗、光刻、溅射、剥离、光刻和刻蚀等多步工艺实现了MEMS加速度传感器敏感元件的制备;设计了专门的标记掩膜版以减小光刻对准产生的积累误差;通过减小氧化硅厚度结合氧化硅与金属层的退火的方式,消除了绝缘层氧化硅与金属层的应力不匹配问题;采用DRIE刻蚀工艺实现三内框架六弹簧-质量块敏感元件的制备。4、MEMS加速度传感器的封装结构设计及制备采用上端盖-敏感元件-下端盖三明治封装结构,将上端盖与敏感元件采用金属键合的方式键合,下端盖与敏感元件采用阳极键合的方式键合,实现加速度传感器敏感元件的封装;在上、下端盖外部与敏感元件平面垂直的方向上对称安装反馈磁铁,建立稳定均匀的反馈磁场。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 课题研究背景及意义
  •   1.2 MEMS加速度传感器介绍
  •   1.3 国内外研究动态
  •     1.3.1 国外研究动态
  •     1.3.2 国内研究动态
  •   1.4 课题主要研究内容及意义
  • 第二章 加速度传感器结构设计
  •   2.1 MEMS加速度传感器结构概述
  •   2.2 MEMS传感器敏感元件结构设计
  •   2.3 敏感元件硅体结构设计
  •     2.3.1 加速度传感器力学模型分析
  •     2.3.2 加速度传感器运动学分析
  •   2.4 电容位移传感检测设计
  •   2.5 反馈控制设计
  •   2.6 MEMS加速度传感器的封装结构设计
  •   2.7 本章小结
  • 第三章 敏感元件硅体结构及反馈控制磁场仿真
  •   3.1 敏感元件硅体结构仿真
  •     3.1.1 COMSOL软件介绍
  •     3.1.2 建立敏感元件硅体结构有限元模型
  •   3.2 反馈控制磁场仿真
  •     3.2.1 Maxwell仿真原理
  •     3.2.2 反馈控制的U型磁铁结构设计
  •     3.2.3 建立反馈磁铁有限元模型
  •     3.2.4 U型磁铁材料定义
  •     3.2.5 磁场求解
  •     3.2.6 反馈磁铁尺寸优化设计
  •   3.3 本章小结
  • 第四章 加速度传感器的制备
  •   4.1 MEMS工艺简介
  •   4.2 加速度传感器制备工艺流程设计
  •   4.3 MEMS加速度传感器单层工艺研究
  •     4.3.1 光刻
  •     4.3.2 深反应离子刻蚀（DRIE）
  •   4.4 MEMS加速度传感器整体加工工艺流程
  •     4.4.1 标记
  •     4.4.2 欧姆接触
  •     4.4.3 金属层Ⅰ
  •     4.4.4 绝缘层Ⅱ
  •     4.4.5 金属层Ⅱ
  •     4.4.6 深硅刻蚀
  •     4.4.7 上端盖
  •     4.4.8 传感器的封装
  •   4.5 绝缘层的稳定性研究
  •   4.6 本章小结
  • 第五章 总结与展望
  •   5.1 总结
  •   5.2 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读硕士学位期间科研成果

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 许一谦

    导师: 郝惠敏

    关键词: 地震勘探,加速度传感器,深硅刻蚀

    来源: 太原理工大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 地质学,地球物理学,自动化技术

    单位: 太原理工大学

    分类号: TP212;P631.43

    总页数: 86

    文件大小: 5096K

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