【摘要】：本論文提出了 一種基于氮化鋁材料的壓電諧振式MEMS加速度計(jì),包括理論整理與分析,有限元仿真與優(yōu)化,加工和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。傳感器基于壓電驅(qū)動(dòng)的DETF(Double-Ended Tuning Fork,雙端音叉)諧振器。諧振器的諧振梁上覆蓋了氮化鋁壓電薄膜,壓電薄膜上端沉積特定形狀的金屬電極,將金屬電極以及摻雜硅作為兩極施加激勵(lì)信號(hào),可以完成對(duì)諧振器的驅(qū)動(dòng)。加速度計(jì)的設(shè)計(jì)中也采用了兩級(jí)柔性杠桿,用于放大質(zhì)量塊所產(chǎn)生的慣性力,大幅增加諧振器的靈敏度,并通過(guò)中心對(duì)稱(chēng)的布置結(jié)構(gòu),使得在最優(yōu)利用空間的同時(shí),進(jìn)一步提升諧振器的靈敏度。諧振式加速度計(jì)被置于室溫以及4mTorr的真空度下,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得左端諧振器的諧振頻率為140.744kHz,右端諧振器的諧振頻率為140.786kHz。在-1g至1g的范圍內(nèi),左側(cè)諧振器的靈敏度為13.6Hz/g,右側(cè)諧振器的靈敏度為14.8Hz/g,器件靈敏度為28.4Hz/g。相比之前報(bào)道過(guò)的最佳性能,本設(shè)計(jì)的絕對(duì)靈敏度(Hz/g)提高了 57%,相對(duì)靈敏度(ppm)提高了 267%。本論文還針對(duì)傳統(tǒng)"單端驅(qū)動(dòng)"的DETF諧振器進(jìn)行了優(yōu)化,提出了"雙端驅(qū)動(dòng)"模式,相比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式,其諧振時(shí)的相位變化增加了 10.5°/190%,平面內(nèi)的振幅增加了 35%,平面外振幅的增加被限制在11%。全文分為7章,各章內(nèi)容分述如下:第一章,介紹了 MEMS加速度計(jì)的發(fā)展歷史、趨勢(shì)、種類(lèi),說(shuō)明了各類(lèi)型器件的原理與特點(diǎn)。接著通過(guò)列舉具有代表性的典型設(shè)計(jì),重點(diǎn)介紹了靜電與壓電式MEMS諧振式加速度計(jì)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,并基于目前MEMS加速度計(jì)的發(fā)展與研究趨勢(shì),確定了將基于氮化鋁材料的壓電諧振式MEMS加速度計(jì)作為研究方向。第二章,介紹了基于氮化鋁的壓電諧振式MEMS加速度計(jì)的設(shè)計(jì),整理并總結(jié)了 1.計(jì)算諧振器諧振頻率、靈敏度的數(shù)學(xué)模型,2.以壓電方式驅(qū)的加速度計(jì)諧振器的設(shè)計(jì)方法,3.計(jì)算多級(jí)柔性杠桿放大因子的數(shù)學(xué)模型,基于整理與總結(jié)結(jié)果對(duì)諧振器、驅(qū)動(dòng)電極以及多級(jí)柔性杠桿進(jìn)行了優(yōu)化,并通過(guò)COMSOL軟件進(jìn)行了仿真,完成了加速度計(jì)的整體設(shè)計(jì)。第三章,介紹了用于本加速度計(jì)加工的PiezoMUMPs工藝流程,包括8個(gè)主要步驟與用于加工加速度計(jì)的5張掩膜版。第四章,介紹了用于本加速度計(jì)測(cè)試的設(shè)備,儀器與方法。第五章,展示了本加速度計(jì)的各項(xiàng)性能測(cè)試結(jié)果,包括-1g至1g加速度下靈敏度的靜態(tài)靈敏度測(cè)試,非線(xiàn)性測(cè)試,溫度漂移測(cè)試,真空與大氣壓下諧振信號(hào)的對(duì)比測(cè)試。第六章,在傳統(tǒng)的諧振器"單端驅(qū)動(dòng)"的模式下,提出了一種新型的DETF諧振式驅(qū)動(dòng)模式,完成新諧振器的設(shè)計(jì)、加工以及測(cè)試。論文的第七章對(duì)本論文的工作進(jìn)行了全面總結(jié)與整理,進(jìn)一步闡明了本論文的創(chuàng)新點(diǎn)以及取得的成果,同時(shí)也對(duì)其中的不足以及未來(lái)可進(jìn)一步開(kāi)展的工作進(jìn)行了展望。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TH824.4

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 陳世藩;;諧振式相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)的簡(jiǎn)易改造[J];電工技術(shù);1985年06期

2 K.E.B.Thornton;葛楚鑫;;新型光激勵(lì)諧振式壓力傳感器[J];國(guó)外計(jì)量;1989年04期

3 李平;;諧振式無(wú)線(xiàn)輸電的可行性研究[J];廣西師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2009年01期

4 鄭越;黃付剛;張代潤(rùn);石曉麗;;一種諧振式DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與研究[J];電力電子技術(shù);2007年10期

5 張建輝;徐鵬飛;馬可貞;薛晨陽(yáng);張文棟;閆樹(shù)斌;;諧振式陀螺檢測(cè)信號(hào)調(diào)制技術(shù)研究[J];傳感技術(shù)學(xué)報(bào);2013年07期

6 樊尚春;楊軍;肖志敏;蔡晨光;;硅諧振式微傳感器開(kāi)環(huán)特性測(cè)試與數(shù)據(jù)處理[J];宇航學(xué)報(bào);2006年05期

7 施克仁,郭寓岷,孫滌清,吳敏生,康清生;大功率IGBT諧振式中頻逆變電源的研制[J];電工技術(shù)雜志;1996年02期

8 王兆強(qiáng);劉海利;徐天柱;陳加浪;黃震宇;;諧振式壓電疊堆的高效換能結(jié)構(gòu)研究[J];振動(dòng)與沖擊;2011年12期

9 王鋒;諧振式汽車(chē)懸掛測(cè)試系統(tǒng)的分析[J];淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào);2003年03期

10 張震宇,盧霞;開(kāi)關(guān)電源中諧振式變換器研究[J];蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào);2005年02期

相關(guān)會(huì)議論文 前1條

1 秦廷楷;王亞石;李哨華;;諧振式波導(dǎo)—同軸線(xiàn)轉(zhuǎn)換器[A];1995年全國(guó)微波會(huì)議論文集（上冊(cè)）[C];1995年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前2條

1 青海 陳憲和;也談諧振式濾波器諧振電容的選取[N];電子報(bào);2005年

2 河北 劉瑞璽;諧振式濾波器諧電容的選取[N];電子報(bào);2005年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前5條

1 李中啟;磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)效率分析與優(yōu)化[D];湖南大學(xué);2016年

2 陳琛;諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的若干電磁問(wèn)題研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];東南大學(xué);2016年

3 錢(qián)坤;面向諧振式微光學(xué)陀螺的高Q平面光波導(dǎo)諧振腔研究[D];中北大學(xué);2017年

4 何曉陽(yáng);微波頻段非諧振式Metamaterial結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用的研究[D];清華大學(xué);2011年

5 唐雄民;大功率串聯(lián)負(fù)載諧振式臭氧發(fā)生器供電電源的研究[D];湖南大學(xué);2007年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 俞亦茂;基于掩膜—無(wú)掩膜腐蝕的硅微諧振式加速度計(jì)關(guān)鍵工藝研究[D];中國(guó)計(jì)量學(xué)院;2015年

2 陳思語(yǔ);一種諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的研究[D];中國(guó)計(jì)量學(xué)院;2015年

3 吳二雷;基于磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)供電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D];東北大學(xué);2014年

4 達(dá)霆;磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)傳能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與傳輸特性研究[D];華中科技大學(xué);2014年

5 何亞偉;磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能與信號(hào)同步傳輸方法研究[D];天津工業(yè)大學(xué);2016年

6 謝民燦;諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸裝置的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[D];華南理工大學(xué);2016年

7 漆志婉;諧振式油品檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D];南京理工大學(xué);2016年

8 屠張杰;基于磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量與信號(hào)同步傳輸技術(shù)研究[D];南京理工大學(xué);2016年

9 周俊巍;多發(fā)射線(xiàn)圈磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的研究[D];南京理工大學(xué);2016年

10 李均龍;兩負(fù)載的諧振式無(wú)線(xiàn)輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D];電子科技大學(xué);2016年

本文編號(hào)：2738156