西南科技大学硕士研究生学位论文第III页
目录
摘要............................................................... I ABSTRACT ............................................................ II 目录............................................................. III 1 绪论.. (1)
1.1课题研究背景及研究意义 (1)
1.2微加速度计研究现状概况 (2)
1.3技术路线 (8)
1.4主要研究内容 (10)
1.5本文组织安排 (11)
2 机理研究 (12)
2.1表头的工作原理 (12)
2.1.1惯性力敏结构的力学特性 (12)
2.1.2FBAR的电声谐振特性 (14)
2.3FBAR各膜层材料选择 (17)
2.4FBAR的力敏机理 (18)
2.5力敏特性多尺度计算仿真模型 (21)
2.5.1表头的有限元模型 (24)
2.5.2FBAR的Mason电学模型 (27)
2.5.3FBAR微分-综合仿真分析模型 (32)
2.6辅助设计软件介绍 (35)
2.6.1射频仿真软件ADS (35)
2.6.2有限元仿真软件ANSYS (35)
2.6.3集成电路设计工具L-Edit (36)
2.7本章小结 (36)
3 结构设计 (37)
3.1膜片上FBAR结构 (37)
3.2膜片上FBAR结构力学特性 (41)
3.3膜片上FBAR结构电声谐振特性 (44)
3.4表头灵敏度分析 (45)
3.5本章小结 (48)
4 温度补偿设计 (49)
4.1FBAR谐振频率影响因素 (49)
4.1.1温度-频率漂移机理 (51)
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4.1.2温度-频率漂移特性仿真 (52)
4.2元件级温度补偿方法 (54)
4.3系统级温度补偿方法 (55)
4.4本章小结 (59)
5 工艺设计 (60)
5.1工艺流程 (60)
5.2关键工艺 (64)
5.3加工版图 (66)
5.4本章小结 (69)
6 测试与表征 (70)
6.1测试 (70)
6.2表征 (73)
6.3结果与讨论 (75)
6.4本章小结 (77)
结论 (78)
1.论文的主要工作 (78)
2.论文的创新点 (79)
3.后续工作展望 (79)
致谢 (80)
参考文献 (81)
攻读硕士期间发表的学术论文及研究成果 (86)
西南科技大学硕士研究生学位论文第1页1绪论
1.1课题研究背景及研究意义
微加速度计是最重要的MEMS传感器之一，从广泛应用的消费电子、汽车电子、医疗仪器到高新武器装备，都发挥着重要的作用。展望微加速度计的发展，探索新的检测机理和单片集成工艺，在满足产品性能(灵敏度、精度等) 要求的同时提高可靠性(reliability) 、稳定性(stability) 与可制造性(manufacturability) ，是不断追求的目标。
现有的MEMS微加速度计主要采用电容[1]、压阻[2]、压电[3]等检测机理，都是以模拟信号为输出信号，通过测量信号的幅值或相位来实现外界加速度检测。由于传感器的模拟信号输出非常微弱，受环境温度、寄生电容、电磁干扰等影响严重，需要一个能够处理微弱信号的复杂调制电路，使得微加速度计的设计与封装成本都相当高。
谐振式微加速度计是将谐振检测机理用于微加速度计，具有准数字信号输出、易于与处理电路集成、信号处理电路较简单、抗干扰能力强、分辨率和测量精度高等优点，在重力测量、惯性导航、石油钻井以及结构振动检测等中高精度领域有良好的应用前景。谐振式微加速度计所需的谐振器，可以利用核磁共振( NMR，nuclear magnetic resonance) 效应、光波导的Sagnac效应、机械音叉谐振等原理实现，前两者需要复杂的微光机电集成，因此目前仍主要基于微机械音叉谐振器实现。由于需要复杂的可动微机械结构和复杂的驱动与检测电路，实用化机械谐振式微加速度计必须解决好可靠性、稳定性、选择性等难题。
薄膜体声波谐振器(FBAR，thin-film bulk acoustic wave resonators) 是一种新型的微型电声谐振器，具有结构简单、无可动结构、谐振性能优良、易于集成等特点。目前，基于FBAR的传感器和振荡器正处于蓬勃发展的阶段，已有多种基于FBAR的高性能换能器或传感器见于文献报道，如DNA和蛋白质检测器、气体传感器、微区质量检测器、汞离子传感器、液体粘滞度传感器、爆炸物探测器、紫外线传感器、红外传感器等[4-11]。以FBAR替代微机械谐振器，结合典型的硅微惯性力敏结构，可以构建一种新型的高频谐振式微加速度计，与机械谐振式微加速度计相比，可望满足对微加速度计性能、