上世紀50年代末Richard Feynman提出了MEMS技術(shù)的設(shè)想,60年代初期制成了第一只微型壓力傳感器,80年代,斯坦福大學(xué)Roylance等人研制出了首個硅材料壓阻式加速度傳感器。經(jīng)過幾十年來的發(fā)展,現(xiàn)在MEMS加速度傳感器已有了較為成熟的工藝技術(shù)支持,制成的不同種類的加速度傳感器可以滿足很多實際應(yīng)用的需求,在防空、醫(yī)療、空間飛行、探測、交通、電子產(chǎn)品等方面的應(yīng)用都占有不可替代的地位,發(fā)展前景廣闊。為順應(yīng)未來信息時代的發(fā)展走向,MEMS加速度傳感器正向微型化、數(shù)字化和高精度、高可靠的方向發(fā)展。本課題針對地質(zhì)勘探領(lǐng)域?qū)铀俣葌鞲衅鞯膽?yīng)用需求,設(shè)計一種用于探測深層地質(zhì)情況的加速度敏感芯片。在這一應(yīng)用領(lǐng)域,加速度傳感器用來探測地下爆破后不同位置的振動狀況,現(xiàn)階段基本都采用電容式加速度傳感器,其優(yōu)勢在于靈敏度高,但是存在線性度差、工藝復(fù)雜和過載能力低的問題。針對電容式加速度傳感器的不足,本文選用壓阻式加速度敏感結(jié)構(gòu),為彌補壓阻式加速度傳感器測量小信號精度低這一不足,設(shè)計優(yōu)化一種基于MEMS技術(shù)的高過載小量程壓阻式加速度敏感芯片。該芯片是基于懸臂梁和質(zhì)量塊對加速度敏感的基本結(jié)構(gòu),設(shè)計優(yōu)... 

【文章來源】：沈陽工業(yè)大學(xué)遼寧省

【文章頁數(shù)】：75 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

MEMS加速度計截面圖

第1章緒論3三個MEMS加速度傳感器通過正交直角的形式組成。該檢波器正交叉軸信號的抑制非常好，靈敏度精度可達0.3%，信號隔離度好于40dB，無傾斜角度限制，但是存在固有頻率不高，線性度和過載能力較差的問題。2010年，西南石油大學(xué)諶貴輝等人基于MEMS伺服式加速度傳感器，針對石油勘探領(lǐng)域設(shè)計了一款多選擇輸出的新型地震檢波器[19]，結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。其采用電容式加速度敏感結(jié)構(gòu)，在加速度質(zhì)量塊上濺射一層導(dǎo)電優(yōu)良的金屬作為活動電極，在其兩側(cè)有兩個固定電極，與懸臂梁的鍍層構(gòu)成了一個差動平板電容。施加加速度作用時，活動電極發(fā)生偏離移位，產(chǎn)生電容差△C，從而將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏啃问健Ｔ撁舾行酒木群头直媛识急容^好，但是其線性度較差，需要用信號處理電路做補償，容易造成結(jié)果的誤差。圖1.2新型MEMS地震檢波器Fig.1.2NewMEMSgeophone2013年長江大學(xué)和中海油田服務(wù)股份有限公司聯(lián)合研究MEMS數(shù)字檢波器技術(shù)的特點及應(yīng)用效果[20]，不僅分析了模擬檢波器和基于MEMS的數(shù)字檢波器的特點，還設(shè)計了如圖1.3所示的數(shù)字三分量檢波器，該檢波器的優(yōu)點在于不會受到50Hz工業(yè)電的干擾，具有0~800Hz的線性頻率響應(yīng)，能很好的保存大于100Hz的高頻信號，功耗低、質(zhì)量輕，靈敏度高、失真度低等，但是對于小信號的測量，線性度較差，靈敏度不高。

沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文4圖1.3數(shù)字三分量檢波器內(nèi)部部件圖Fig.1.3Internalcomponentsofdigitalthree-componentdetector2014年，湘潭大學(xué)由金湘亮教授帶領(lǐng)的課題組針對石油勘探問題，在國內(nèi)首次成功研制MEMS加速度傳感器芯片。該芯片集成了多種模式信號，芯片的過載恢復(fù)、系統(tǒng)的休眠/啟動以及通信協(xié)議等參數(shù)經(jīng)測試均能達到預(yù)期目標，這也被看做是國內(nèi)首款用于石油勘探的MEMS加速度傳感器[21]，但在小量程加速度傳感器方面還需繼續(xù)深入研究。1.3課題目的及意義根據(jù)前文對加速度敏感結(jié)構(gòu)在地質(zhì)勘探中應(yīng)用現(xiàn)狀的介紹，可以看出目前設(shè)計的敏感芯片對于小信號的測量較為困難，存在線性響應(yīng)差，靈敏度低等問題。對于小量程的加速度敏感芯片，還存在提高過載能力的難題。針對這些問題，本節(jié)針對應(yīng)用要求和如何解決目前加速度敏感芯片存在的問題進行分析，設(shè)定敏感芯片的預(yù)期性能參數(shù)。1.3.1課題研究目的深層地質(zhì)勘的關(guān)鍵在于MEMS加速度敏感芯片的性能是否優(yōu)越，因此優(yōu)化設(shè)計出一種靈敏度高、過載能力強、抗干擾性能優(yōu)、適用于深層小信號監(jiān)測的小量程加速度敏感芯片是本課題研究的重點。針對前文提出的問題，本課題基于MEMS技術(shù)設(shè)計優(yōu)化一種高過載小量程壓阻式加速度敏感芯片。該芯片是基于懸臂梁和質(zhì)量塊對加速度敏感的基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計優(yōu)化帶有微梁和支撐梁的單軸壓阻式加速度敏感芯片，最終應(yīng)用于地質(zhì)勘探設(shè)備的信號采集部分。為此提出所設(shè)計的加速度敏感芯片的主要參數(shù)指標，如表1.1所示。


本文編號：3513573