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MEMS加速度计温度场及残余应力模型研究

作　者: 游侠飞
导　师: 郑阳明；吴昌聚
学　校: 浙江大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: MEMS 加速度计温度场残余应力
分类号: TH824.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 61次
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内容摘要

加速度计是一种重要的惯性传感器,它被广泛地运用在惯性导航、消费电子、汽车电子和地质勘探等关乎国计民生的各个领域。电容式MEMS加速度计具有分辨率高、动态范围大、温度特性好等优点,从而得到了广泛的应用。本论文着眼于实验室研制的MEMS加速度计的性能现状,结合既有的研究结果,以探寻温度对器件影响规律和改良器件性能为主要目的,基于有限元参数化建模的温度场和耦合场分析方法,致力于MEMS加速度计温度场模型以及残余应力模型的建立和研究,为下一步加速度计温度补偿模型的建立,温控系统的完善以及加速度计的改版设计提供了一定的理论及实验依据。本论文主要工作包括以下部分：第1章为论文的研究背景和基本原理部分,主要对MEMS加速度计领域内已发表的专著和文献进行总结和归纳,介绍MEMS加速度计的发展、研究现状、面临的关键问题以及实验室研制的MEMS加速度计的基本原理,热力学领域的基本理论以及基于有限元仿真的基本研究方法。第2章建立了MEMS加速度计温度场模型,对模型误差进行了分析,并与实验结果进行了比较,验证了建模方法的正确性及结果的合理性。运用该温度场模型,得出了调整热源以及增加辅助散热器的方式进行优化的方法。此外,建立了MEMS加速度计温控系统温度场模型,为后续温控系统的完善提供了指导。第3章建立了阳极键合残余应力模型,得到了温度对热应力的影响规律,分析了结构调整对热应力的影响以及热应力对器件性能的影响。第4章对部分既有的工艺误差对器件的影响进行了量化分析,从机械结构和工艺的角度提出了增加退火工艺,调整键合温度以及采用分步结构释放法等工艺改良建议。第5章对本论文的工作进行了总结,并提出了下一步的研究方向及展望。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
1 绪论  10-22
  1.1 MEMS 加速度计概述及分类  10-11
  1.2 MEMS加速度计的基本工作原理  11-14
    1.2.1 MEMS加速度计结构模型  12-13
    1.2.2 MEMS加速度计动力学模型  13-14
  1.3 MEMS加速度计的发展现状  14-20
    1.3.1 MEMS加速度计发展现状  14-17
    1.3.2 存在的问题  17-20
  1.4 论文的主要工作  20-22
2 MEMS加速度计温度场模型建立与优化  22-44
  2.1 芯片热阻模型  22-23
  2.2 器件外围电路温度场模型  23-39
    2.2.1 建模及仿真结果  23-29
    2.2.2 实验验证  29-33
    2.2.3 优化布局  33-37
    2.2.4 设计辅助散热器  37-39
  2.3 温控系统温度场模型  39-43
  2.4 小结  43-44
3 MEMS加速度计残余应力模型的建立  44-62
  3.1 残余应力简介  44-46
  3.2 键合残余应力研究  46-55
    3.2.1 MEMS加速度计工艺流程  46-48
    3.2.2 阳极键合简介  48-50
    3.2.3 仿真验证  50-55
  3.3 热应力随温度变化规律  55-56
  3.4 结构调整对热应力的影响  56-57
    3.4.1 质量块厚度对热应力的影响  56
    3.4.2 玻璃厚度对热应力的影响  56-57
  3.5 热应力对加速度计性能的影响  57-59
  3.6 实验测试  59-61
  3.7 小结  61-62
4 MEMS加速度计结构误差分析  62-70
  4.1 加速度计梁宽不对称  62-64
  4.2 加速度计弹性梁过刻蚀  64-65
  4.3 加速度计质量块偏心  65-68
  4.4 工艺改良建议  68
  4.5 小结  68-70
5 总结与展望  70-73
  5.1 主要工作总结  70-71
  5.2 展望  71-73
参考文献  73-78
作者简历及攻读硕士学位期间所取得的科研成果和荣誉  78

MEMS加速度计温度场及残余应力模型研究

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