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MOS环振式数字加速度传感器研究

张兆华

  人类社会已进入信息时代,传感器作为信息采集部件是现代信息技术的基础。加速度传感器作为传感器的一个重要分支,在惯性导航、汽车工业、航空航天、军事科技等领域都有非常重要的应用。本论文研究、设计并试制了一种新型的MOS环振式数字加速度传感器,该传感器以MOS环形振荡器作为敏感元件,以混频器作为信号处理单元,具有准数字的频率输出信号。根据半导体的力敏效应,分布在力敏膜上的环形振荡器的电学特性和受到的应力有一种对应关系,环振加速度传感器就是基于环形振荡器的力敏效应来设计的。论文分析了环形振荡器的电路原理,研究了三种MOS环形振荡器的力敏特性,以及环境温度,电源稳定性等环境因素对环形振荡器的影响。提出了一种新的传感器频率信号处理方法,利用混频器把两个环振谐振频率的差频作为传感器的输出信号,大大减小了温度和电源稳定性等因素对传感器输出信号的影响。论文分析了加速度传感器梁式结构的优缺点,研究、设计了一种六梁结构。这种结构具有灵敏度高、横向灵敏度小等优点。论文设计了三种MOS环形振荡器和两种双栅MOS混频器,并对环振电路和混频器电路进行了SPICE仿真。设计了一种和典型集成电路工艺互相兼容的加速度传感器制作工艺方案。针对版图设计的实际情况,研究、设计了一种用KOH腐蚀凸角结构的[100]条补偿方案。本文分析、研究了传感器制作过程中的几项关键工艺,包括氮化硅薄膜的淀积工艺、KOH腐蚀工艺、双面光刻工艺以及硅梁的释放工艺。我们采用两次淀积氮化硅薄膜的方法,解决了KOH腐蚀过程中容易碎片的工艺难题,减少了对保护区域的腐蚀损伤。研究并设计了两种硅梁释放工艺,能够有效减小对已形成电路的损伤,解决了体硅工艺中的电路保护难题。在清华大学微电子所的MEMS实验室试制了这种环振加速度传感器的样品,并测试了相关参数,得到了环振加速度传感器的实际性能指标。结果表明,环振加速度传感器具有灵敏度高、温度系数小、制作工艺简单等优点,为加速度传感器的设计和发展提供了一种新思路。……   
[关键词]:加速度计;环形振荡器;压敏效应;双栅混频器;MEMS兼容工艺
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:清华大学2004年
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