本文關(guān)鍵詞：MEMS諧振式電荷傳感器，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：本論文提出了一種帶有柔性微杠桿的MEMS諧振式電荷傳感器,包括理論分析、仿真優(yōu)化、加工和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。傳感器基于DETF (Double-ended Tuning Fork)諧振器,諧振器工作在反向諧振模態(tài),通過(guò)電容進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和感應(yīng),在室溫和40 mTorr的真空度下,測(cè)得諧振頻率為139 kHz, Q值大于4900。引入柔性微杠桿的目的在于放大輸入力,從而增大電荷傳感器的靈敏度,通過(guò)理論和有限元仿真分析,得到柔性微杠桿的放大倍數(shù)大于8。電荷輸入極板與微杠桿的輸入端偶合成電容,當(dāng)在電荷輸入極板施加電荷時(shí),電容極板間產(chǎn)生靜電力,經(jīng)過(guò)微杠桿的放大和變向后壓在DETF的梁上,導(dǎo)致梁剛度的減小,從而引起諧振頻率的下降。電荷的輸入量與諧振頻率的變化量之間呈二次方關(guān)系,靈敏度為1.3×10-3 Hz/fC2,分辨率為21fC。試驗(yàn)結(jié)果證明,引入的兩柔性微杠桿在沒(méi)有引入電路噪聲的情況下,有效地提高了傳感器的靈敏度,同時(shí),本論文還對(duì)諧振器的靜電剛度軟化和非線性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析。為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)電荷傳感器的高分辨率和寬動(dòng)態(tài)范圍,本論文首次提出了采用靜電式驅(qū)動(dòng)器作為靈敏度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案,對(duì)不同的電荷輸入量,采用不同的靈敏度,既可以把初始靈敏度設(shè)計(jì)的很高,實(shí)現(xiàn)高分辨率,又可以在高輸入電荷量的情況下,采用低靈敏度,避免因電荷量過(guò)高而引起非線性,甚至器件的損壞。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,電荷傳感器的最高靈敏度為1.03×10-2 Hz/fC2,分辨率達(dá)到了1fC以下,當(dāng)在驅(qū)動(dòng)器上施加40 V的直流電壓時(shí),可調(diào)電容的變化量為9.7fF,傳感器的靈敏度被調(diào)節(jié)了91.6%。本論文共分六章,各章內(nèi)容分述如下：論文第一章介紹了MEMS諧振器的定義、分類和應(yīng)用等概況,詳細(xì)推導(dǎo)了靜電式諧振器的力學(xué)模型和等效電路模型,同時(shí)也介紹了靜電式諧振器的常見(jiàn)類型和性能參數(shù)；之后總結(jié)了電荷傳感器的研究現(xiàn)狀,以及MEMS諧振式電荷傳感器的優(yōu)勢(shì)和研究意義；最后系統(tǒng)地總結(jié)了本論文的工作。論文的第二章提出了器件的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)器件進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析,包括微杠桿的放大倍數(shù)、諧振器的計(jì)算分析和傳感器的響應(yīng)等。之后通過(guò)有限元方法對(duì)器件的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化,確定了器件的具體參數(shù)。論文的第三章介紹了器件的微加工過(guò)程,本論文中的器件都是基于SOI (Silicon-on-Insulator)工藝,采用了兩種不同的方法釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu),即背部釋放和前部釋放。論文的第四章介紹了器件的測(cè)試方法,搭建了器件測(cè)試所需要的真空環(huán)境,并對(duì)器件進(jìn)行了全面的測(cè)試,包括諧振器的性能,諧振器的靜電剛度軟化現(xiàn)象,非線性以及傳感器的靈敏度等,并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。論文的第五章提出了一種可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率和寬動(dòng)態(tài)范圍的電荷傳感器,首次引入了靈敏度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),解決了高分辨率和寬動(dòng)態(tài)范圍之間的矛盾,并對(duì)器件進(jìn)行了加工和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。論文的第六章對(duì)本論文的工作進(jìn)行了全面的總結(jié),進(jìn)一步闡明了本論文的創(chuàng)新點(diǎn)和取得的成果,同時(shí)也對(duì)本論文的不足之處與未來(lái)的工作進(jìn)行了展望。
【關(guān)鍵詞】：MEMS 諧振器 電荷傳感器 微杠桿 高分辨率 寬動(dòng)態(tài)范圍
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH-39;TP212
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 緒論11-23
• 1.1 MEMS諧振器簡(jiǎn)介11
• 1.2 靜電式諧振器11-19
• 1.2.1 理論模型11-15
• 1.2.2 諧振器的常見(jiàn)類型15-18
• 1.2.3 諧振器的性能參數(shù)18-19
• 1.3 電荷傳感器簡(jiǎn)介19-22
• 1.4 本論文工作22
• 1.5 本章小結(jié)22-23
• 2 電荷傳感器的設(shè)計(jì)23-36
• 2.1 本研究中器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24-26
• 2.2 器件的理論分析26-31
• 2.2.1 柔性杠桿放大倍數(shù)的理論推導(dǎo)26-27
• 2.2.2 諧振器的理論模型27-29
• 2.2.3 諧振器梁在軸向力作用時(shí)的彈簧系數(shù)29-31
• 2.3 器件的仿真優(yōu)化31-35
• 2.3.1 杠桿輸出梁及支點(diǎn)梁長(zhǎng)度的分析及優(yōu)化31-32
• 2.3.2 支點(diǎn)位置的分析及優(yōu)化32-33
• 2.3.3 電荷傳感器的靈敏度分析33-35
• 2.4 本章小結(jié)35-36
• 3 器件的加工36-41
• 3.1 背部釋放的加工工藝36-39
• 3.2 前部釋放的工藝39
• 3.3 本章小結(jié)39-41
• 4 器件的測(cè)試41-48
• 4.1 DETF諧振器的性能42-43
• 4.2 器件的靜電剛度軟化43-44
• 4.3 器件的非線性44-45
• 4.4 電荷傳感器的靈敏度45-47
• 4.5 本章小結(jié)47-48
• 5 高靈敏度和寬動(dòng)態(tài)范圍的電荷傳感器48-54
• 5.1 器件的設(shè)計(jì)48-50
• 5.2 器件的加工50-51
• 5.3 器件的測(cè)試結(jié)果和分析51-52
• 5.4 本章小結(jié)52-54
• 6 總結(jié)和展望54-56
• 6.1 論文總結(jié)54
• 6.2 研究展望54-56
• 參考文獻(xiàn)56-64
• 作者在學(xué)習(xí)期間取得的科研成果64-65

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