真空微电子加速度传感器的研究
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摘要
加速度传感器是一种十分重要的力学量传感器，是惯性测量组合（IMU）系统的基础元件之一。随着现代科学技术的发展，汽车、工业自动化、宇航、导弹等领域对加速度传感器提出了微型化、高性能等要求。现代科学技术的发展（主要是MEMS技术）为加速度传感器的微型化提供了技术基础。探索研究新原理、新结构、新功能的高性能微型加速度传感器已成为世界各国的研究热点。
本文作者纵观了硅微加速度传感器和真空微电子学的国内外研究现状，提出利用真空微电子技术、MEMS技术和传感器技术，依据冷阴极场致发射的原理，研究一种新型的集成真空微电子加速度传感器。该传感器集固体器件和真空电子器件的优点于一身:具有抗辐射、温度稳定性好、快响应、高灵敏、高分辨率、低电压、低功耗、信号处理电路简单、体积很小等优点。
本论文围绕真空微电子加速度传感器的相关基础理论和关键制造技术进行了较系统深入的研究，重点研究了集成真空微电子加速度传感器的结构、工作原理、力学、电学特性等。利用有限元分析软件ANSYS对微型结构进行了计算机模拟，通过静力学分析、模态分析和谐响应分析，得出了微加速度传感器结构尺寸对其位移量、谐振频率及模态振型的影响规律。在此基础上进行了结构优化设计和工艺设计，研究了锥尖成形工艺和“多掩膜－无掩膜”腐蚀工艺，根据工艺流程绘制出光刻掩膜版图，为该传感器的研制奠定了一定的基础。
The acceleration sensor is the key basic component for IMU (Inertial Measurement Unit) to sense and analysis the motion information. With the development of IMU, there is a growing demand for acceleration sensor with excellent temperature stability, resistant to radiation, quick response, low power and small size. As a result of development, many types of acceleration sensors appeared, such as piezoresistive type, capacitive type, piezoelectric type and tunnel type, etc.
Vacuum microelectronics is an emerging and evolving technology. The vacuum microelectronic devices, appeared in the early 90s, arouse the attention all over the world for the advantages of excellent temperature stability, low power consumption, resistant to radiation, quick response. Characterized by field emission in vacuum micro chambers, it has found applications in the display field, and more recently in sensor technology. Based on the basic principles of vacuum microelectronics, a new kind of integrated vacuum microelectronic acceleration sensor is presented. The acceleration sensor has been developed using MEMS technique, microelectronic technique, and vacuum electronic technique. It can be widely used in navigation and aerospace, industry automation and car airbag control and so on. The research of such kind of acceleration sensor is of great scientific significance.
In this paper we seek to report on a novel method of utilizing field emission in acceleration sensor. Emission currents are directly related to, among other parameters, the distance separating the emission cathode and anode. When either or both electrodes are micromachined in a cantilever beam capable of deflection under the influence of an external force, the emission current detected will be a direct measure of force magnitude. In order to calculate the deflection parameters of cantilever beam, a full static, mode and harmonic finite element analysis (FEA) using the ANSYS Finite-Element program is performed. The results derived from FEA are well analyzed for the discipline of structure and its displacement, resonant frequency and mode. On the base of these analyses, optimization design and arts design are performed and the layouts of masks are plotted. The theory model of this kind of acceleration sensor is founded to guide the fabrication.
本文作者纵观了硅微加速度传感器和真空微电子学的国内外研究现状，提出利用真空微电子技术、MEMS技术和传感器技术，依据冷阴极场致发射的原理，研究一种新型的集成真空微电子加速度传感器。该传感器集固体器件和真空电子器件的优点于一身:具有抗辐射、温度稳定性好、快响应、高灵敏、高分辨率、低电压、低功耗、信号处理电路简单、体积很小等优点。
本论文围绕真空微电子加速度传感器的相关基础理论和关键制造技术进行了较系统深入的研究，重点研究了集成真空微电子加速度传感器的结构、工作原理、力学、电学特性等。利用有限元分析软件ANSYS对微型结构进行了计算机模拟，通过静力学分析、模态分析和谐响应分析，得出了微加速度传感器结构尺寸对其位移量、谐振频率及模态振型的影响规律。在此基础上进行了结构优化设计和工艺设计，研究了锥尖成形工艺和“多掩膜－无掩膜”腐蚀工艺，根据工艺流程绘制出光刻掩膜版图，为该传感器的研制奠定了一定的基础。
The acceleration sensor is the key basic component for IMU (Inertial Measurement Unit) to sense and analysis the motion information. With the development of IMU, there is a growing demand for acceleration sensor with excellent temperature stability, resistant to radiation, quick response, low power and small size. As a result of development, many types of acceleration sensors appeared, such as piezoresistive type, capacitive type, piezoelectric type and tunnel type, etc.
Vacuum microelectronics is an emerging and evolving technology. The vacuum microelectronic devices, appeared in the early 90s, arouse the attention all over the world for the advantages of excellent temperature stability, low power consumption, resistant to radiation, quick response. Characterized by field emission in vacuum micro chambers, it has found applications in the display field, and more recently in sensor technology. Based on the basic principles of vacuum microelectronics, a new kind of integrated vacuum microelectronic acceleration sensor is presented. The acceleration sensor has been developed using MEMS technique, microelectronic technique, and vacuum electronic technique. It can be widely used in navigation and aerospace, industry automation and car airbag control and so on. The research of such kind of acceleration sensor is of great scientific significance.
In this paper we seek to report on a novel method of utilizing field emission in acceleration sensor. Emission currents are directly related to, among other parameters, the distance separating the emission cathode and anode. When either or both electrodes are micromachined in a cantilever beam capable of deflection under the influence of an external force, the emission current detected will be a direct measure of force magnitude. In order to calculate the deflection parameters of cantilever beam, a full static, mode and harmonic finite element analysis (FEA) using the ANSYS Finite-Element program is performed. The results derived from FEA are well analyzed for the discipline of structure and its displacement, resonant frequency and mode. On the base of these analyses, optimization design and arts design are performed and the layouts of masks are plotted. The theory model of this kind of acceleration sensor is founded to guide the fabrication.
引文
[1] 于凌宇，当代传感器新技术应用与展望，传感器世界，VOL.4(1998), No.11,P1
[2] 皮广禄，国外传感器技术的现状与发展(Ⅰ)，传感器世界，VOL.4(1998), No. 12,P1
[3] 皮广禄，国外传感器技术的现状与发展(Ⅱ)，传感器世界，VOL.5(1998), No.1,P1
[4] 国家计划委员会，国家科学技术委员会，国家经济贸易委员会，九十年代我国经济发展的关键技术，1993年8月
[5] 机械工业部科技与质量司，机械工业“九五”国家重点科技规划，传感器技术研究，1994年11月
[6] 刘广玉，对我国航空传感器未来十年发展的建议，测控技术，1996；15（2）
[7] 黄美发，纳米技术与现代传感器，桂林电子工业学院学报，第18卷第1期
[8] 王祁等，多功能传感器，传感器技术，1999年第18卷第1期
[9] 刘广玉，传感器的现状和未来，测控技术，1999年18卷第3期
[10] 李炳乾等，集成智能传感器的新进展，半导体杂志，1999年4月，第24卷2期
[11] 章吉良，杨春生等编著，微机电系统及其相关技术，上海交大出版社，2000年1月
[12] 丁衡高，微系统与微米/纳米及其发展，微米/纳米科学与技术，上海，2000年6月14－16日，第四届全国微米/纳米技术学术会议专刊，第5卷，第1期，1～2页
[13] 黄庆安，真空微电子学的研究与发展，电子学报，1995年10月，Vol.23，No.10
[14] 沈一喆，皮德富，真空微电子学的研究方向与主要内容，真空电子技术，1996年第5期
[15] 温志渝，真空微电子触觉传感器场致发射阵列的研究，重庆大学学报（自然科学版），第21卷第4期，1998年7月
[16] 秦明，黄庆安等，自封闭低压硅场致发射二极管的研究，电子学报，1996年8月第8期
[17] 费龙等，硅微机械传感器的现状及研究方向，传感器技术，1995. 5：1～7
[18] 黄庆安编著，硅微机械加工技术，(M)科学出版社，1996
[19] 高钟毓，微机械惯性仪表的原理结构与制造技术，半导体情报，第34卷，第2期，1997年4月
[20] Rockstad Howard K, et al. A miniature, high-sensitivity, electron tunneling accelerometer. (J) Transducers′95. Eurosensors IX:675～678
[21] 孟军等，微硅加速度传感器的发展，电子器件，第22卷第4期，1999年12月
[22] 席占稳等，高gn值悬臂梁式硅微加速度传感器的结构设计，东南大学学报，第30卷第6期，2000年11月
[23] 强锡富，传感器，机械工业出版社，1989年6月
[24] Chingwen Yeh and Khalil Najafi, A low-voltage Tunneling-based silicon Microaccelerometer, (J), IEEE transactions on Electron device, V44, No11，（1997），1875-1882
[25] 史建伟，隧道加速度计的发展概况，电子器件，第22卷，第3期，1999年9月
[26] 承欢等，阴极电子学，西北电讯工程学院出版社，1986年6月第1版
[27] 刘学悫，阴极电子学，科学出版社，1980年4月第1版
[28] 唐国洪等，真空微电子管的研制，电子器件，第18卷，第2期，1995年5月
[29] 茅盘松，方玉明，袁鲸，平面振动式微硅型加速度传感器的研制。传感器技术学报，1997；第10卷，第4期：34～37
[30] 王国强，实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践，第1版，西北工业大学出版社，1999. 8。
[31] 陈精一，蔡国忠，电脑辅助工程分析——ANSYS使用指南，第1版，中国铁道出版社，2001. 4。
[32] 费龙，钟先信，温志渝等，降低硅微机械加速度传感器横向灵敏度的方法，光学精密工程，第3卷第1期，1995年2月
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[34] T. Asamo, The 4th IVMC, P. 88, 1991
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[36] R.B. Marcus, IEEE Trans, Vol. ED-38, No.10, P2289,1991
[37] 江永清，真空微电子触觉传感器阵列的研究，重庆大学硕士学位论文，1999年5月
[38] R.B. Marcus et al, Appl. Phys, Lett, 56(3), P236, 1990
[39] 吴英，硅微力平衡电容式加速度传感器的研究，重庆大学硕士学位论文，1999年5月
[40] 温殿忠等，硅在KOH溶液和EPW中各向异性腐蚀的异同，传感器技术学报，1995年第2期，P83
[41] 黄仲平等，真空微电子器件中的场发射硅尖阵列制作研究，电子器件，第17卷，第8期，1994年9月
[42] 刘杰明等，真空微电子管的计算机模拟，电子器件，第17卷，第3期，1994年9月
[43] S. Suzuki, S. Tuchitani, K. Sato et al. ,Sensors and Actuators, 1990, A21: 316～319.
[44] H. Seidel ,H. Riede] ,R. Kolbeck et al. , Sensors and Actuators, 1990, A21: 312～315.
[45] X. Ding, W. Ko and J. M. Mansour, Sensors and Actuators,1990, A21: 866～871.
[2] 皮广禄，国外传感器技术的现状与发展(Ⅰ)，传感器世界，VOL.4(1998), No. 12,P1
[3] 皮广禄，国外传感器技术的现状与发展(Ⅱ)，传感器世界，VOL.5(1998), No.1,P1
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