電容式微加速度感測器的啟動漂移機理研究

《電容式微加速度感測器的啟動漂移機理研究》是依託電子科技大學,由周吳擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：電容式微加速度感測器的啟動漂移機理研究
• 依託單位：電子科技大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：周吳

項目摘要

啟動漂移嚴重降低了電容式微加速度感測器的可靠性，目前對啟動漂移現象的解釋主要集中在系統預熱與應力釋放兩方面，缺乏系統性的物理機制研究。本項目根據微器件多學科交叉和多物理場耦合的特點，採用理論分析、數值分析和實驗方法相互驗證與補充的研究方法，綜合微加速度感測器啟動過程中機械結構回響、電荷遷移、系統預熱與能量傳遞等物理過程，提取反映感測器長時間漂移的內在基本特徵；利用多物理場耦合分析方法與集總參數模型理論建立微加速度感測器的漂移模型，闡明引起溫漂與時漂的根本物理機理，以此提出溫漂補償方法與時漂抑制技術，最終完成加速度感測器啟動漂移的解決方案，為低漂移量MEMS器件設計提供理論依據。

結題摘要

MEMS感測器輸出信號的穩定性是衡量其性能優劣的重要指標之一。啟動漂移是指器件上電後的輸出信號出現隨時間不斷變化的非穩定現象，嚴重降低了微感測器的可靠性。本項目以電容式微加速度感測器為研究對象，研究的主要目的是探索啟動漂移的內在物理機理並建立相應的物理模型，進而提出抑制啟動漂移的解決方案。 通過對微加速度感測器啟動中的預熱過程、機械回響、電容充電現象以及電介質充電現象的理論研究、仿真分析及實驗驗證表明：引起微加速度感測器啟動過程中長時間漂移現象的主要因素為電介質充電效應。電介質中的電荷（包括電子、空穴以及離子）在直流電場作用下將在電介質（如氧化矽、氮化矽及玻璃等）緩慢移動，從而引起電介質周圍的電場發生緩慢變化，器件原有的機電平衡狀態被破壞，最終導致輸出信號漂移現象。微加速度感測器中的電介質主要包括兩種類型：一是自然氧化形成在電極表面的矽氧混合物，可通過俄歇電子能譜儀測試獲得混合物參數；一是作為基底結構的玻璃材料。本項目對兩類電介質對微加速度感測器啟動漂移的貢獻及影響因素進行了詳細的理論與實驗研究，並指出抑制啟動漂移的可行性方案為改直流偏壓為交流偏壓與去除電介質材料。 根據理論分析結果，項目提出了交流偏置的微加速度感測器的閉環控制電路來抑制矽電極表面電介質充電引起的漂移，同時，運用金層禁止方法實現了玻璃極化引起的漂移。本項目研究開拓了微慣性器件漂移研究的新思路，從外圍的漂移補償轉向根本物理機理探索，最終解決了閉環微加速度感測器的啟動漂移問題，研究成果將對電容式微器件的漂移問題及解決方案提供新思路，對此類器件進入高精度套用領域提供了原理支撐，具有十分重要的理論價值及工程意義。