本文選題：MEMS圓盤諧振器 + 可靠性�。� 參考：《杭州電子科技大學(xué)》2015年碩士論文

【摘要】：微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)由于具有體積小、集成度高以及與IC工藝兼容性好等優(yōu)點,因而廣泛應(yīng)用于汽車導(dǎo)航、生物醫(yī)學(xué)以及軍事領(lǐng)域等。在眾多MEMS器件中,電容式圓盤諧振器由于具有功耗低、諧振頻率高、Q值高等優(yōu)勢,已逐步取代傳統(tǒng)石英晶體基準(zhǔn)并廣泛應(yīng)用于振蕩器、濾波器等無線通信系統(tǒng)中。據(jù)此,本文對電容式圓盤諧振器進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。第1章闡述了研究的目的和意義。首先介紹了MEMS的基本系統(tǒng)組成、主要特點以及發(fā)展?fàn)顩r;然后簡要說明了MEMS的制造工藝;接著介紹了MEMS的應(yīng)用以及相關(guān)產(chǎn)品;再者,針對研究的MEMS圓盤諧振器,介紹了幾種常見的諧振器;最后簡單說明了文章所需分析的內(nèi)容與安排。第2章研究了MEMS圓盤諧振器的基本原理。首先介紹了圓盤諧振器的基本運(yùn)行原理;然后重點分析了圓盤諧振器的主要參數(shù):諧振頻率、有效質(zhì)量、運(yùn)動電阻、品質(zhì)因數(shù)、輸出電流以及功率處理能力等;最后,分析了圓盤諧振器的等效電子電路以及靜電彈簧軟化效應(yīng)。第3章研究了強(qiáng)慣性沖擊下MEMS圓盤諧振器的可靠性。首先對雙端支撐的圓盤諧振器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡要分析;然后對圓盤諧振器分別受到階躍加速度和脈沖加速度下的可靠性進(jìn)行了理論分析;最后,通過文獻(xiàn)中的特定圓盤尺寸,得出了不同偏置電壓下圓盤所能承受的最大慣性加速度;結(jié)果表明,當(dāng)外界階躍沖擊為13000g時,諧振器可靠性降低為原來的75%;而當(dāng)圓盤受到脈沖沖擊時,若脈沖寬度與幅度乘積為10000μm/s,圓盤的可靠性降為原來的85%。第4章研究了形變對圓盤諧振器的電氣剛度影響。重點研究了圓盤分別受到徑向靜電力、縱向慣性力時的形變量,并以此分析電氣剛度的改變量;研究結(jié)果表明:當(dāng)圓盤受到徑向靜電力時,若間隙降為50nm且電壓達(dá)到50V,徑向形變量可以達(dá)到間隙的2.05%,電氣剛度改變6.15%;當(dāng)圓盤受到縱向慣性力時,若圓盤的半徑為100μm且慣性加速度為10000g,其最大形變量可以達(dá)到圓盤厚度的2.4%,電氣剛度改變2.4%。第5章研究了DRIE工藝下的傾斜效應(yīng)對MEMS圓盤諧振器的影響。首先分析了DRIE工藝下的傾斜效應(yīng)形成原理;其次分析了傾斜效應(yīng)對圓盤諧振器的電容量、靜電力、電氣剛度、運(yùn)動電阻和輸出電流的影響,并進(jìn)行了相應(yīng)的ANSYS仿真;結(jié)果表明,當(dāng)傾斜角度為0.1o??時,實際電容量、靜電力、電氣剛度和輸出電流減小為原來的0.76、0.6、0.47和0.32,而運(yùn)動電阻變?yōu)樵瓉淼?.15倍;最后,分別計算了傾斜效應(yīng)對單個圓盤以及圓盤陣列諧振頻率的影響,得到了靜電調(diào)諧所需的最優(yōu)調(diào)諧電壓;結(jié)果表明,當(dāng)傾斜角度為=0.3o?時,其最優(yōu)調(diào)諧電壓能達(dá)到450V;而要使運(yùn)動電阻降到50?,陣列耦合的圓盤個數(shù)要達(dá)到715個,調(diào)諧電壓高達(dá)469V。第6章總結(jié)了全文的研究成果并分析了論文中的不足,并且對后續(xù)工作進(jìn)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.
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH-39

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