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在已有的工艺技术条件下,设计出能实现特定的应用目的MEMS器件并最终实现产业化,这是所有MEMS研究的出发点以及最终的目的所在。MEMG的结构设计与优化对于缩短它的研制周期、降低成本、提高产品性能有着极为重要的意义。微加速度计与微夹钳作为两种MEMS器件,是最重要的微惯性器件以及微执行器,有关它们的结构设计与优化研究,对于MEMS功能器件的研究具有典型性。
本文基于玻璃一硅的阳极键合技术和ICP深反应离子刻蚀工艺设计一类电容式微加速度传感器,包括四种不同的结构。该结构采用双端固支的双梁或四梁做为支撑梁;在敏感质量块的左右两边设计了附加的尾部,同时在尾部设计叉指,将梳齿与“三明治”两种形式相结合,有效地利用了结构的几何空间,较大程度上提高了结构的性能。
本文运用有限元方法对所设计四梁电容式微加速度传感器进行了优化设计。尝试给出了微结构的一般优化方法:首先列出所要考察的微结构的性能参数与几何模型参数之间的关系,对于微结构,通常各性能参数的提高对几何模型参数调整的要求往往是不一致的,甚至是矛盾;然后,针对各种矛盾,在加工条件以及各种约束允许的前提下,提出优化方案;之后,选择相对独立的性能参数项作为第一步优化的目标,优化结果作为已知量带到下一步的优化步骤中去;对于相互矛盾的性能参数进行优化,选定对其有影响的几何模型参数作为设计变量(在这里通常是多个几何参数),选择合适的参数范围,进行遍历寻优。最终的优化结果是相互矛盾的性能指标达到某种折中或平衡,使整体性能指标达到综合的优化。
此外,本文对静电梳齿驱动微夹钳进行了设计仿真。静电梳齿驱动微夹钳是梳齿驱动器与梳齿力传感器的耦合结构,本文在忽略铰链机构对能量的损失的情况下,分析了静电力驱动的结构原理,仿真分析了激励电压对梳齿力传感器端电容变化的影响,建立了静电梳齿驱动端与梳齿力传感端的联系。
作为设计、仿真和优化研究的验证,还对所设计的电容式微加速度传感器进行了加工、封装与测试。