电容式微加速度传感器的启动漂移机理研究

The startup drift sharply decreases the reliability of capacitive micro accelerometer. The current solution to startup drift which mainly focuses on the system preheating and stress releasing is short of systematical research on its underlying physical mechanism. This project on the basis of the characteristics of multi-discipline and multi-physical fields of micro devices synthesizes the mechanical structure response, charge migration, system preheating and energy transfer during the startup process of micro accelerometer, and also extracts the intrinsically basic merits which reflect the long time drift of sensors. Furthermore, the drift model is established by utilizing multi-physical coupling and lumped parameter modelingmethod and the basic physical mechanism of temperature drift and time drift is clarified. Then the compensation method of temperature drift and suppressing method of time drift are proposed. Finally the solution to the drift problem of accelerometer is accomplished to provide theory evidence to the design of MEMS devices with low drift.

启动漂移严重降低了电容式微加速度传感器的可靠性，目前对启动漂移现象的解释主要集中在系统预热与应力释放两方面，缺乏系统性的物理机制研究。本项目根据微器件多学科交叉和多物理场耦合的特点，采用理论分析、数值分析和实验方法相互验证与补充的研究方法，综合微加速度传感器启动过程中机械结构响应、电荷迁移、系统预热与能量传递等物理过程，提取反映传感器长时间漂移的内在基本特征；利用多物理场耦合分析方法与集总参数模型理论建立微加速度传感器的漂移模型，阐明引起温漂与时漂的根本物理机理，以此提出温漂补偿方法与时漂抑制技术，最终完成加速度传感器启动漂移的解决方案，为低漂移量MEMS器件设计提供理论依据。

MEMS传感器输出信号的稳定性是衡量其性能优劣的重要指标之一。启动漂移是指器件上电后的输出信号出现随时间不断变化的非稳定现象，严重降低了微传感器的可靠性。本项目以电容式微加速度传感器为研究对象，研究的主要目的是探索启动漂移的内在物理机理并建立相应的物理模型，进而提出抑制启动漂移的解决方案。 .通过对微加速度传感器启动中的预热过程、机械响应、电容充电现象以及电介质充电现象的理论研究、仿真分析及实验验证表明：引起微加速度传感器启动过程中长时间漂移现象的主要因素为电介质充电效应。电介质中的电荷（包括电子、空穴以及离子）在直流电场作用下将在电介质（如氧化硅、氮化硅及玻璃等）缓慢移动，从而引起电介质周围的电场发生缓慢变化，器件原有的机电平衡状态被破坏，最终导致输出信号漂移现象。微加速度传感器中的电介质主要包括两种类型：一是自然氧化形成在电极表面的硅氧混合物，可通过俄歇电子能谱仪测试获得混合物参数；一是作为基底结构的玻璃材料。本项目对两类电介质对微加速度传感器启动漂移的贡献及影响因素进行了详细的理论与实验研究，并指出抑制启动漂移的可行性方案为改直流偏压为交流偏压与去除电介质材料。.根据理论分析结果，项目提出了交流偏置的微加速度传感器的闭环控制电路来抑制硅电极表面电介质充电引起的漂移，同时，运用金层屏蔽方法实现了玻璃极化引起的漂移。本项目研究开拓了微惯性器件漂移研究的新思路，从外围的漂移补偿转向根本物理机理探索，最终解决了闭环微加速度传感器的启动漂移问题，研究成果将对电容式微器件的漂移问题及解决方案提供新思路，对此类器件进入高精度应用领域提供了原理支撑，具有十分重要的理论价值及工程意义。