【摘要】：加速度傳感器是一種十分重要的慣性傳感器,基于新原理、新技術(shù)的高性能加速度傳感器是近年來研究的熱點。真空微電子加速度傳感器基于場致發(fā)射理論,集固體器件和真空微電子器件的優(yōu)點于一身,具有靈敏度高、抗輻射、響應(yīng)快、體積小等獨特的優(yōu)點,是高性能MEMS加速度傳感器的新探索,具有十分重要的科學意義和迫切的應(yīng)用需求。論文針對真空微電子加速度傳感器研究中存在的科學與技術(shù)問題,提出了一種基于納米錐尖陣列、初始發(fā)射間距可控和過載保護的真空微電子加速度傳感器新結(jié)構(gòu)。研究了場致發(fā)射理論,建立了真空微電子加速度傳感器的理論模型;完成了真空微電子加速度傳感器敏感結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和仿真分析;突破了錐尖陣列制備、低溫鍵合、ICP刻蝕等關(guān)鍵加工技術(shù),開展了圓片級真空封裝的探索研究,成功研制出真空微電子加速度傳感器原理樣品;研究了真空微電子加速度傳感器測試方法,完成了主要性能指標的測試與分析。論文的主要工作包括:(1)介紹了真空微電子傳感器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,分析了真空微電子加速度傳感器的特點以及存在的科學與技術(shù)問題,確定了總體研究方案;(2)基于場致發(fā)射理論,分析了埃菲爾鐵塔形和金字塔形場發(fā)射陰極錐尖的電學特性;建立了真空微電子加速度傳感器的理論模型,研究了傳感器的力學和電學特性,分析了影響傳感器性能的主要因素;(3)根據(jù)真空微電子加速度傳感器的設(shè)計目標,提出了基于納米錐尖陣列的真空微電子加速度傳感器新結(jié)構(gòu)。通過偏置電壓控制初始發(fā)射間距,引入臺階擴大帶錐尖陣列敏感質(zhì)量塊的可控位移,設(shè)計過載保護環(huán)實現(xiàn)對錐尖的保護。該結(jié)構(gòu)降低了工藝難度,有效抑制了傳感器的靜電吸合失效;采用ANSYS有限元分析軟件對敏感結(jié)構(gòu)進行了靜力學及動力學分析,優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù);提出了帶雙鍵合環(huán)的圓片級真空封裝新結(jié)構(gòu);(4)采用優(yōu)化的HNA各向同性濕法液制備了均勻、一致的埃菲爾鐵塔形硅尖陣列,在硅尖表面沉積Ti W/Au復合金屬薄膜,提高了器件的場發(fā)射性能;研究了工藝參數(shù)對陽極鍵合、Au/Si共晶鍵合的影響,優(yōu)化了低溫鍵合工藝,解決了電極發(fā)黑以及鍵合界面不均勻等問題,開展了三層真空鍵合探索;優(yōu)化ICP刻蝕工藝,引入結(jié)構(gòu)預釋放微孔,解決了彈性梁釋放中的側(cè)向鉆蝕和結(jié)構(gòu)斷裂問題,成功研制出真空微電子加速度傳感器原理樣機。(5)研究了真空微電子加速度傳感器的測試方法,搭建了測試平臺,完成了各性能指標的測試。在7.6V偏置電壓,1.5V發(fā)射電壓下,真空微電子加速度傳感器的輸出電流為52.4μA,靈敏度為1.06V/g,非線性度為0.91%,零偏穩(wěn)定性為484μg,分辨率為27μg/Hz~(1/2),工作帶寬為100Hz,工作溫度為-20~55℃,抗沖擊能力200g。
【圖文】：

如圖 1.1 所示。該場發(fā)射陣列具有良好的發(fā)射穩(wěn)定性（±1.7%），可廣泛應(yīng)用于航空航天及惡劣環(huán)境下。圖1.1 采用模具轉(zhuǎn)移制備的陰極錐尖陣列 (a) TiN；(b) a-C；(c) PtFig.1.1 Cathode tip array fabricated by mold transfer method (a) TiN; (b) a-C; (c) Pt2015 年，C．Prommesberger 等人報道了一種帶柵極的 p 型硅尖場發(fā)射陰極，如圖 1.2 所示。采用干法刻蝕技術(shù)與氧化銳化技術(shù)結(jié)合，制備了高度為 3μm，尖端曲率半徑為 30nm 的硅尖。在 100V 發(fā)射電壓，400V 柵極電壓下，100 個硅尖的發(fā)射電流可達 35μA，并且具有較好的發(fā)射電流穩(wěn)定性[41]。圖1.2 帶柵極的場發(fā)射陰極硅尖Fig.1.2 SEM image of a gated Si-tip為了進一步提高場致發(fā)射的穩(wěn)定性

[41]。圖1.2 帶柵極的場發(fā)射陰極硅尖Fig.1.2 SEM image of a gated Si-tip為了進一步提高場致發(fā)射的穩(wěn)定性，，Schowebel 等人報道了用氫等離子體處理的方法，去除發(fā)射體表面污染、增強發(fā)射一致性。法國 LETI 的研究人員采用在襯底下方增加一層串聯(lián)電阻的方法，制作了 Mo 錐尖場發(fā)射陰極，在整個平板上獲得了比較均勻的發(fā)射，可將其應(yīng)用于臺式計算機和筆記本電腦的顯示器中[42]。綜上可見，盡管近年來在場發(fā)射陰極方面的研究取得了重要進展，但對場發(fā)射陰極錐尖的研究仍處于不斷探索中，真正應(yīng)用于真空微電子器件中的場發(fā)射陰
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP212

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本文編號：2587190