1、中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 31 页目 录LC 谐振式振动传感器设计及实现摘 要本文在对各种硅微加速度传感器特点进行比较的基础上，选择了差分电容式硅微加速度传感器作为研究对象。在对其工作原理和相关制作工艺进行了阐述和研究之后，设计出了一种对称的“四梁质量块”结构的差分电容式微加速度传感器。本文介绍了利用 LC 互感谐振原理来实现加速度信号的无线传输 。用 ANSYS 有限元软件对加速度计的结构建立仿真模型。根据建立的差分电容式微加速度传感器的力学模型，利用有限元方法对其进行了静力学和动力学分析。最后，结合现有 MEMS 工艺，给出了差分电容式硅微加速度传感器的结构尺寸、
2、工艺流程。关键词：MEMS，电容式加速度传感器，有限元分析，LC 互感谐振传感器中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 31 页LC resonant vibration sensor design and realizationAbstractIn the dissertation, series types of micro-Si acceleration sensors were compared and the differential capacitive one was chosen to be studied. After its principle and fabr
3、ication process related were expounded, a symmetric “four cantilever beams-mass” structure was designed, which is characterized by better linearity and sensitivity compared with the traditional deformable-membrane sensor.Besides,it introduces the mutual inductance using LC resonance principle to ach
4、ieve the wireless transmission of acceleration signal. Model of the accelerometer structure was established by ANSYS finite element software.After the mechanics model of the differential capacitive acceleration sensor was made, finite element method was used to simulate its behavior, both static and
5、 dynamic.Finally, based on the MEMS technology presented, the structural dimension, fabricating process were introduced. Keywords: MEMS, the capacitance acceleration sensor, finite element analysis, LC mutual inductance resonant sensor中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 31 页1 绪言 11.1 课题研究的背景及意义 .11.2 国内外研究现状
6、.11.3 本设计主要研究的内容 .22 LC 谐振式振动传感器的设计 32.1 传感器整体设计思路 .32.1.1 电容式传感器的常见检测电路 .32.1.2 加速度信号传输的实现 .42.1.3 振动信号远距离传输的实现 .42.2 微机械加速度计的模型 .62.2.1 微机械加速度计的力学模型 .62.2.2 微机械加速度计的数学模型 .72.3 微机械电容式加速度计与电容改变方式的原理 .72.3.1 微机械电容式加速度计的工作原理 .72.3.2 电容的改变方式与工作原理 .82.4 LC 谐振式振动传感器设计 .102.4.1 芯片材料的选择 .102.4.2 电感的设计 .112
7、.4.3 电容的设计 .122.4.4 悬臂梁结构设计 .133 LC 谐振式振动传感器的理论分析与计算 153.1 传感器的有限元建模与分析 .153.2 “四梁质量块”的静力学分析 .153.3 “四梁质量块”模态分析 .163.4 “二梁质量块”的静力学分析 .183.5 “二梁质量块”的模态分析 .194 LC 谐振式振动传感器的工艺流程 204.1 加工所需关键工艺 .204.1.1 光刻 .214.1.2 薄膜淀积 .214.1.3 离子注入 .224.1.4 腐蚀 .224.1.5 静电键合技术 .224.1.6 合金 .2242 LC 谐振式振动传感器工艺流程 .224.3 传
8、感器的封装 .26中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 31 页4.3.1 封装形式 .264.3.2 封装中需要注意的问题 .275 总结与展望 285.1 总结 .285.2 展望 .28参 考 文 献 29致 谢 31中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 31 页 绪言1.1 课题研究的背景及意义随着硅微加工技术的不断成熟，硅加速度计已经在传感器市场占据着越来越重要的地位，小型化、智能化、集成化已成为加速度传感器的发展方向，其应用也已逐步扩展到了工业和航天技术等领域 1-2。传感器技术的发展也对其外围检测电路提出了越来越高的要求，微小型化的传感器必然也要求微小
9、型化的外围电路与之相匹配；对微弱信号的检测能力更是成为衡量外围电路性能的一项重要指标。目前已发展了多种高温环境下使用的加速度传感器，但是整体效果并不理想，与国外相比我们的技术还差很多，缺少耐超高温（600以上）的传感器产品，而且稳定性较差。由于航空发动机结构复杂，传感器经常处于高温、高压、腐蚀等恶劣环境，能够满足上述要求的新型加速度传感器必须能耐高温、能用于发动机内部、能够有效防止油雾和电磁等环境干扰、能有长时间稳定工作的可靠性。其中高温测量技术是航空发动机测量的最关键技术之一，也是目前影响超高速飞行器及相关武器发展的瓶颈。高温环境下加速度测量技术不仅在航天领域急需解决，在工业、军事、发电等领
10、域也有广泛的应用 3。本课题主要介绍了一种 LC 谐振式加速度传感器的高温测量技术，以实现高温加速度测量为主要目标，以非接触无源信号传输测试技术为主要思路，以高温悬臂梁结构制备为关键技术，以温度冲击振动测试系统为基础平台，最终形成完整的基于 LC 谐振原理的耐高温加速度传感器理论、设计、测试表征和结构制备技术体系，并通过热防护处理实现传感器的超高温测量目的。为核电、飞机引擎监测等实际应用中要求的超高温加速度测量需求打下坚实的理论和技术支撑。利用厚膜工艺和 MEMS 技术探索传感器芯片的批量化生产技术，针对传感器材料的选择和装配结构的设计，提出了高温环境下加速度传感器设计方法。该方案的进一步实施
11、有助于国内耐高温传感器产品的技术创新，有助于提高超高温环境下加速度测量的稳定性、便携性。1.2 国内外研究现状传感器技术是一项快速发展的高新技术，它是新技术革命和信息社会的重要技术基础，已被许多工业发达国家列为国家科技和国防技术发展的重点内容。正是由于世界各国的普遍重视和投入开发，传感器技术发展速度非常迅猛。人们在利用先进电子技术提高现有传感器性能、降低其成本的同时，也在寻求传感器技术发展的新途径，中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 31 页研制开发各种基于新原理、新材料、新工艺的高精度、微型集成化、智能化、数字化的新型传感器 4。自 1987 年第四届国际固态传感器和执行器会
12、议以来，由微加工技术与传统的传感器技术结合创立了微机械传感器和微执行器，开拓了微电子机械系统（MEMS）新领域。20 世纪 60 年代，MEMS 技术就开始应用于压力传感器、压电加速度传感器等领域。直到 1995 年，微机电系统 MEMS 振动传感器在结构安全检测中还没有报道。基于结构安全检测的迫切需求，加速度计、压敏或电容感应原理得到了极大的关注。可是，高能耗和精密的微机械技术成为研究工作的明显障碍。当前广泛应用的微振动传感器中，大都是基于电容式或压电式的工作原理，传感器在工作中会产生电流或电压，因此无法用于电磁环境的振动监测。能否在恶劣的条件下测量振动参数的能力已经越来越受到关注 5-6。
13、针对此问题，在一些文献和报道中提出了一些光振动传感器，由于采用光波传递信息，不受电磁干扰，电气绝缘性能好，因此可以在强电磁干扰下完成传统传感器难以完成的某些参量的测量。已报道的光振动传感器有光纤连接式的也有硅基集成式的。微传感器是微电子机械系统的一个较大分支，也是今天最广泛使用的 MEMS 器件，它是目前最为成功且最具有实用性的微机电装置。而微振动传感器的研究一直是微传感器研究的一个重点。由于微振动传感器振动敏感芯片是微振动传感器发展水平的重要标志，因而微振动传感器振动敏感芯片的研究成为微振动传感器研究中最为活跃的部分。振动传感测试技术从上世纪初一直发展到今天，经过几代科学工作者几十年的不断探
14、索与研究，正逐步走向完善，而相对应的传感测试方法与种类也在不断发展和成熟。目前基于悬臂梁结构的先进传感器主要有 4 种：1光纤悬臂梁式振动传感器；2压阻式硅微型加速度传感器；3基于 MEMS 技术的微电容加速度传感器；4SiO 2 波导微光机械振动/加速度传感器。 7-81.3 本设计主要研究的内容本文主要目标为设计 LC 谐振式振动传感器，介绍了加速度传感器、电容式微加速度传感器以及谐振式振动传感器的原理，给出了两个可行的谐振式振动传感结构方案。用 ANSYS 软件对谐振式传感器进行了力学结构的设计和仿真，同时设计了所需要的中北大学 2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 31 页工艺过程
15、，对可选用的材料进行了讨论。该传感器采用 LC 耦合谐振原理实现传感器与检测电路之间的非接触式信号传输。2 LC 谐振式振动传感器的设计2.1 传感器整体设计思路2.1.1 电容式传感器的常见检测电路在充分研究了电容式传感器原理及其检测电路的基础上，我们设计出 LC 谐振式加速度传感器，其本质是在电容传感器的基础上添加一个电感元件。通过检测谐 LC 振点来测试传感器受到的加速度变化，因此在介绍 LC 谐振式传感器的设计原理之前，需要了解电容传感器的工作原理及其常见的几种检测电路。图 2.1 为设计的加速度传感器原理图。图 2.1 涂有环氧介质的极距变化型电容传感器电容传感器的常用检测电路有交流
16、电桥电路、运算放大式电路、调频电路、脉冲宽度调制电路等，下面就几种对本设计有重要参考意义的两种电路进行介绍。（1）谐振电路谐振电路是电容式传感器的一种重要检测电路，原理图如图 2.2 所示。电容传感器的电容 与电感 、电感 组成谐振回路。当传感器受到加速度影响发生变化时， 2 2电容值 也发生变化，通过互感线圈耦合，从稳定的高频振荡器获得振荡电压。谐振2回路的阻抗发生相应变化，并被转换成电压或电流输出，经过放大、检波即可得到输出。图 2.2 谐振电路原理框图中北大学 2013 届毕业设计说明书第 8 页 共 31 页（2）调频电路这种电路主要是将传感器电容、电感元件配合放大器组成一个振荡器谐振
17、电路。该电路使用电路谐振原理，传感器的电容元件作为振荡器谐振回路的一部分。当被测物体发生位移变化使传感器电容量变化时，通过载波的方式将传感器信号（位移、加速度、压力等）以调频的方式载波到高频载波信号上，调频振荡器的重要功能是提供载频信号，经过限幅、鉴频、放大等电路将信号输出。由于振荡器主要是受电容器的电容调制影响，实现了电容到频率的转换，因此称之为调频电路。2.2 加速度信号传输的实现传感器的信号是通过高频载波的方式进行传播，也就是将所要传递的信号附加在高频振荡波形上。由于波长等于光速与频率的比值，频率越高，波长越短，一般电磁波波长是天线尺寸的倍数，因此使用高频信号可以减小天线（电感线圈）的尺
18、寸，从而提高传感器的集成度。加速度信号是以载波的形式调制到高频波中，载波一般包括调频和调幅两种方式。需要注意的是载波信号需要使用高频信号，而调制信号必须是相对的低频，这样才能保证传输信号的准确性。2.3 振动信号远距离传输的实现（1）互感原理振动信号的非接触式传输使用线圈的互感原理如图 2.3，在线圈 的附近放置另一1个 线圈，当 线圈中的电流发生变化时，能在 线圈中产生感应电动势的现象叫做2 1 2互感现象。同样， 线圈电流的变化又可以反过来影响 的电势。利用互感原理，当1 1次级回路中 容值变化时，初级回路的干路电流 随之变化，因此电路的干路电流也2 1会随之改变。图 2.3 传感器耦合信
19、号传输原理中北大学 2013 届毕业设计说明书第 9 页 共 31 页(2.1)1= 11+222= 11+本设计中主要考虑的是 对 的反作用，即传感器电路在靠近 线圈时会对初级2 1 1回路产生什么影响，以及如何测量这一变化。（2） LC 谐振原理本文的传感器在设计上主要利用了 LC 互感谐振原理。通过扫频电路检测次级线圈的谐振点，当传感器达到谐振时，并联谐振电路的阻抗最大，进而计算出加速度的值。因此本文设计的传感器也可称为互感耦合双谐振式传感器。如图 2.4 所示。R 为干路的总阻抗，包括电感阻抗、电容阻抗，为电压源电压， 为电源角频率。电路的输入阻抗为Z=|Z| (2.2)=2+2若令
20、X ，可以得到输入阻抗的模和幅角分别为=-1Z (2.3)=2+2=（- 1）2+2(2.4)=-1 由式（2.4）可见，当 X=L-1/C=0 时，即有 =0。此时我们就说电路发生了谐振。干路电流为I (2.5)= +(-1)当达到谐振点，电路的电流最大，因此发射的电磁波功率最大，从而可以实现远距离的信号无线传输。图 2.4 串联谐振电路（3）互感耦合双谐振电路的调谐方法为了获得较理想的非接触信号传输效果，发射电路使用串联谐振，而接收电路使用并联谐振。由于两个线圈回路中都具有 L 和 C，因此两个回路都能发生谐振，且谐中北大学 2013 届毕业设计说明书第 10 页 共 31 页振频率一致，
21、故称为互感耦合双谐振回路，如图 2.5。图 2.5 双谐振原理图2.2 微机械加速度计的模型2.2.1 微机械加速度计的力学模型微机械加速度传感器一般由敏感质量块 m 借助于一个或多个弹性元件附于固定支架上 9。依据动力学原理，微机械加速度传感器经典力学模型可等效为图 2.6 所示的质量- 弹簧 -阻尼器力学系统。这是一个典型的二阶连续时间系统。此模型中，弹簧相当于微机械加速度传感器的悬臂梁，其有效弹簧常数（即刚度系数）为 k ；气体阻尼系数为 D；m 为敏感质量块的质量。当质量 m 受到一静态加速度 a 时，可等效为一反方向的惯性力 F（F = ma）作用于该质量上，同时，由于惯性力 F 使质量块产生运动位移 x，导致弹性梁弯曲，生成方向相反的弹簧力 （ =kx） 。当惯性力 F 与弹簧力相等时，将质量块拉回并达到平衡位置，系统恢复到平衡状态。因此有稳态方程式F = ，则质量块产生的位移为： (2.6)=
