基于SOI的電容式微加速度計器件物理模型與實驗研究.pdf

1、基于微機械工藝的電容式微加速度計因其體積小、功耗低、靈敏度高和方便與電路集成等優(yōu)點，已成為民用工業(yè)與國防航空航天慣性導航領域的關鍵部件和研究熱點。其中，在基于SOI的微加速度計器件層應力研究、開環(huán)模式非線性模型、跨機械、熱、電場領域的一體化仿真方法與模型和梳齒加工偏差對性能的作用諸領域尚有待突破與創(chuàng)新。本文針對當前電容式微加速度計有待解決的理論技術問題，展開了器件層的應力分析和實驗、開環(huán)工作模式非線性研究，對集成一體化仿真予以了探索，進

2、行了MEMS加工誤差與性能的關系研究。
　　 ⑴分析了SOI器件層中存在的各種應力，及這些應力對微加速度計敏感質量塊結構變形的作用，進行了實驗，提出了一種支撐結構，導出了該支撐結構的最大變形模型。通過對基于器件層厚50μm，氧化層厚5μm鍵合SOI片的該結構進行測量，結果表明該模型基本能描述器件層存在應力時的變形。
　　 ⑵根據力學理論和電路讀出原理，針對開環(huán)模式非線性誤差大和SOI器件層存在應力梯度的特點，從非線性特性

3、中最大可測量加速度、初始工作點和吸合點與動定電極間距d的變化規(guī)律出發(fā)，并結合器件層應力梯度導致彈性梁剛度的改變，提出了電容式微加速度計非線性模型。模型指出，隨著輸出電壓的增加，可測量加速度近似成線性增加，在靠近最大可測量加速度αmax時斜率增大，其后隨輸出電壓的增加而減小至吸合點；αmax由d和彈性梁剛度與敏感質量塊質量之比λ決定，且d的作用優(yōu)于λ，在計入器件層應力梯度后，可測量加速度范圍將增大；d在小于初始工作點時加速度計不能工作，該

4、點由傳感頭參數η決定且η最佳取值范圍為1×1019～2x1019，此時準靜態(tài)條件下吸合點大于整個動電極行程的95％。
　　 ⑶就MEMS微加速度計涉及機械、電和熱等多物理領域情形，基于力學、熱學、電學理論和微加速度計工作原理，依據微加速度計中SOI器件層應力梯度、溫度與氣膜阻尼的關系，用電壓形式描述了氣體阻尼、應力梯度、溫度和機械結構運動微分方程，并與偏置電壓產生的靜電力相聯系，提出了突破中間電極小位移近似的接口電路模型，從而實

5、現了微加速度計的一體化仿真。通過與文獻實驗數據和相關理論結果進行比較，表明該模型能較好地應用于微加速度計的一體化仿真。
　　 ⑷針對微機械工藝加工可能引起的梳齒間距與版圖設計值的偏差，從概率統(tǒng)計和加工誤差理論出發(fā)，給出了當各梳齒間距偏差在一定范圍內獨立且均勻分布時，電容式微加速度計電容與靜電力模型、靈敏度模型和加速度信號為沖擊與階躍時的響應三物理模型。
　　 ⑸電容與靜電力模型表明，電容和靜電力均為類高斯分布，它們在一定

6、區(qū)段出現的可能性可由其準期望和準方差確定，該準期望與無加工誤差情況相比有小于5％的偏移；準方差依賴于梳齒數目和梳齒加工誤差，當梳齒數目由10增大到60時，電容與靜電力分布準方差分別增大約2倍和1倍，而當梳齒加工誤差從5％增大到20％時，則分別增大約3.5倍和2.5倍。其結果與有機結合多物理場、有限元和Monte-Carlo方法原理的仿真數據較為接近。
　　 ⑹導出了單邊電容和雙邊電容驅動的硅微加速度計沖擊與階躍信號響應物理模型。

7、經過有限元仿真和Monte-Carlo模擬驗證，結果表明理論模型與仿真值之差小于10％。模型指出，當梳齒間距偏差由0變化到20％，加速度計在受到沖擊與階躍加速度信號作用時，其可靠工作范圍將比無偏差理想情況下降10％～15％。
　　 ⑺建立了可描述靈敏度偏差概率的模型。該模型與通過另一途徑統(tǒng)計方法的仿真驗證結果相差小于10％。模型表明，當偏差約為25％時，靈敏度減小5-10％的概率系40～50％，而其增大5～10％的概率約25～3