[毕业论文] 微机械应力测试结构与电路 [复制链接]

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毕业论文-微机械应力测试结构与电路，共85页，27792字

中文摘要

微机电系统(MEMS)技术在基础研究方面仍在深入的同时越来越接近于实用

化。目前妨碍微机电器件得到应用的主要瓶颈是性能指标，而温度对微结构的影

响是造成微机电器件性能指标降低的重要因素。因此，进行温度变化条件下微结

构性能的变化规律和隔离温度对微结构的影响的技术方法的研究，对微机电系统

技术的发展具有重要的意义。

论文采用了基于应力-微结构谐振频率转换原理实现结构应力测试的方案。设

计了一种双端固定音叉形式的应力测试结构，主要特征是具有梳齿电极-光梁静电

驱动结构，以避免音叉臂附着动齿对谐振模态的影响。在调研材料的特性，考虑

了单晶硅的热膨胀系数和杨氏模量随温度的变化而变化的基础上，对结构的温度

特性进行了 ANSYS 仿真，研究了温度变化条件下应力测试结构内部应力和频率

的变化规律。

设计了一种应力隔离结构，主要特征是具有应力隔离框和环形弹性连接结构，

并对其进行了 ANSYS 仿真，仿真结果表明该结构可以隔离 99.4%的温度变化引

起的结构应力。

设计了具有和不具有应力隔离结构的应力测试结构版图，使其分布于硅的

<100>和<110>晶向，以测试不同晶向上的结构应力。测试结构芯片已经加工完成。

设计了应力测试结构的驱动和检测电路，主要特点是驱动信号和载波检测信

号使用同一个电极，采用基于自激振荡原理和稳幅控制的驱动闭环方案。

对电路部分进行了时域和频域特性仿真，完成了部分电路的调试。

关键词：微机械；应力；应力隔离；双端音叉；自激振荡

目录

第 1 章

引言 ...... 1

1.1 研究背景和研究意义 ...... 1

1.2 国内外研究情况 1

1.2.1 微机械加工和使用中的结构应力 .. 1

1.2.2 微机电器件的温度补偿方法 ... 2

1.2.3 应力测试结构 ...... 4

1.2.4 应力隔离结构 ...... 4

1.3 课题研究内容 .... 5

第 2 章 应力测试整体方案论证 .. 6

2.1 结构方案 ..... 6

2.1.1 应力测试结构方案 ..... 6

2.1.2 应力隔离结构方案 ..... 7

2.1.3 激振方式 8

2.2 电路方案 ... 12

2.2.1 拾振电路 ..... 12

2.2.2 闭环控制方案 .... 14

2.3 总体方案 ... 16

第 3 章 结构设计与性能仿真 .... 17

3.1 应力测试结构温度特性的理论分析 . 17

3.1.1 力-频率关系 17

3.1.2 温度对频率的影响 ... 18

3.2 应力测试结构参数设计 20

3.2.1 DETF 固有频率计算 . 20

3.2.2 驱动结构设计 .... 20

3.2.3 驱动力计算 . 22

3.2.4 应力测试结构版图设计 .. 23

3.3 应力隔离结构参数设计 24

3.3.1 应力隔离结构弹性连接选择 . 24

3.3.2 应力隔离结构版图设计 .. 27

3.4 不同晶相对结构性能的影响 ...... 29

3.5 结构版图设计与加工 .... 31

3.6 音叉固有频率和温度的关系仿真分析 .... 33

3.6.1 应力测试结构温度仿真 .. 33

3.6.2 应力隔离结构温度仿真 .. 39

第 4 章 应力测试结构的电路设计 ... 41

4.1 电路整体方案 .. 41

4.2 电路原理设计 .. 41

4.2.1 电源电路 ..... 42

4.2.2 方波发生电路 .... 42

4.2.3 信号叠加电路 .... 44

4.2.4 电荷放大器 . 46

4.2.5 隔直放大电路 .... 47

4.2.6 解调电路 ..... 48

4.2.7 低通滤波器 . 48

4.2.8 移相电路 ..... 50

4.2.9 整流电路 ..... 52

4.2.10 低通滤波电路 .. 53

4.2.11 PI 调节和信号叠加电路 53

4.2.12 电路原理总图 .. 54

4.3 印刷电路板设计 ..... 55

4.3.1 PCB 设计图 . 55

4.4 电路调试 ... 55

第 5 章

总结与展望 ...... 58

5.1 本课题主要研究成果和完成工作 ..... 58

5.2 未来工作展望 .. 58

插图索引 ..... 59

表格索引 ..... 63

参考文献 ..... 64

致 谢..... 66

声明..... 67

附录 A 外文资料的书面翻译. 68

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