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研究生: 林幹□
Kan-Heng Lin
論文名稱: 整合型微陀螺儀的設計與製造
Design and Fabrication of an Integrated Micro Gyroscope
指導教授: 盧向成
Shiang-Cheng Lu
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電子工程研究所
Institute of Electronics Engineering
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 67
中文關鍵詞: 陀螺儀表面加工微機電
外文關鍵詞: Surface Micromachining, Gyroscope, CMOS-MEMS
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  • 本計畫的目標將設定在以微機電技術設計並製造新穎、具高性能的微陀螺儀,並結合CMOS積體電路製程完成整合型感測器晶片。設計的新穎之處在於使用面型加工微陀螺儀與積體電路作直接整合。整合微傳感器包括微致動、感測元件與IC將更具系統的多功能、可控性及精準性等優點。因此本研究將以整合系統的概念,製作微感測器並企圖與IC進行整合。


    This work describes design, fabrication of micro-electro-mechanical systems (MEMS) gyroscope. It focuses on the CMOS-MEMS (Complementary-Metal-Oxide Semiconductor) thin film lateral accelerometer and vertical gyroscope design .Structure fabricated by the post CMOS-MEMS surface micromachining process. The mass displacement resulted from external acceleration is in the angstrom to nanometer range. Such small mass and displacement bring challenges to detect the extreme small signals, which are under 1 mV/G and only a fraction change for the sensing capacitance

    目錄 Abstract I 中文摘要 II 誌謝 III 目錄 IV 圖目錄 VI 表目錄 IX 第一章 介紹 1 1-1緒論 1 1-2相關研究發展現況 2 1-3研究起源 3 第二章 微陀螺儀結構分析與模擬 6 2-1微陀螺儀感測原理 6 2-2 梳型結構致動器設計原理 8 2-3結構設計 10 2-3結構分析與模擬 18 第三章 微陀螺儀電容式感測電路設計 22 3.1 感測介面 22 3.2 電路之設計 25 3.3 規格定義 27 3-4 系統電路之架構描述 31 3-5 HSPICE電路模擬 35 3-6電路佈局 39 第四章 製程與參數 42 4-1 製程步驟 43 4-2 製程結果 45 第五章 量測與結果 48 5-1 機械特性測試 48 5-2 IC 電路測試 49 5-3 討論 51 第六章 結論 53 第七章 未來工作 54 參考文獻 55 圖目錄 圖2.1 z軸[22] 7 圖2.2 梳型結構示意圖 9 圖2.3 陀螺儀示意圖 11 圖2.4 TSMC 0.35 μm 2P4M 結構剖面圖 12 圖2.5 蝕刻孔洞示意圖 12 圖2.6 彈簧結構設計 (a) 折疊式彈簧 (b) 中點式(c) 四角式 13 圖2.7 結構受殘餘應力影響圖 15 圖2.8 外框結構補償示意圖 16 圖2.9 光罩對準誤差 16 圖2.10 內部電容式感測示意圖 17 圖2.11 ANSYS 分析之簡化模型 19 圖2.12 第一共振頻率10.403 kHz 20 圖2.13 第二共振頻率14.16 kHz (Sensing Mode) 20 圖2.14 第三共振頻率17.38 kHz (Driving Mode) 21 圖3.1 系統方塊示意圖 22 圖3.2 單端感測器 23 圖3.3 差動式感測器 24 圖3.4 完全差動式感測器 24 圖3.5 (a)共源極阻態; (b) 輸入-輸出特性 26 圖3.6 小訊號頻寬 27 圖3.7 雜訊頻譜 30 圖3.8 前置放大器示意圖 32 圖3.9 感測電容模型 34 圖3.10 Schematic of Pre-amp 35 圖 3.11 Pre-amp 頻寬及相位 38 圖3.12 Pre-amp 輸入參考雜訊 38 圖3.13 Pre-amp 頻寬及增益 (Layout Parameter Extraction) 39 圖3.14 Pre-amp 輸入參考雜訊 (Layout Parameter Extraction) 39 圖3.15 Layout of Pre-amp 40 圖3.16晶片佈局圖 41 圖4.1 製程流程圖[8] 42 圖4.2 製程後微陀螺儀示意圖 46 圖 4.3 Wire Bonding 示意圖 46 圖 4.4封裝示意圖 (一) 47 圖4.5 封裝示意圖 (二) 47 圖5.1 量測示意圖 48 圖5.2 Pre-amplifier Output 49 圖5.3 Pre-amplifier 之頻譜分析 50 圖 5.4 實驗架設圖 50 圖5.5 XeF2蝕刻時間太久 52 圖5.6 XeF2蝕刻時間太短 52 表目錄 表2.1 重要Layout 參數 18 表3.1 感測器優缺點之比較 25 表 3.2 設計參數之規格列表 36 表3.3 電晶體的 W/L Ration 37 表4.1 RIE製程機台之位置、廠牌、及製程參數 44 表4.2 XeF2 矽深蝕刻機台之位置、廠牌、及製程參數 45

    [1] M.A. LEMKIN et al, “A 3-axis force balanced accelerometer using asingle proof-mass,” Solid State Sensors and Actuators, Vol. 2, pp.1185-1188, 1997.

    [2] Analog Device ADXL210 accelerometer datasheet.
    http://www.analog.com/pdf/ADXL202_10_b.pdf.

    [3] Navid Yazdi, Farrokh ayazi, and Khalil Najafi, “ Micromachined
    Inertial sensor’’, Proc.of the IEEE.Aug.1998,pp1640-1659

    [4] B. E. Boser and R. T. Howe, “Surface Micromachined Accelerometer, ”IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 31, pp.
    366-375, 1996.

    [5] J.A. Geen, S.T. Sherman, J.F. Chang, and S.R. Lewis, “Single-chip surface micromachined integrated gyroscope with 50/h Allan deviation,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 37, no. 12, pp. 1860-1866, Dec. 2002.

    [6] H. Luo, “Integrated Multiple Device CMOS-MEMS IMU Systems and RF MEMS Application ” Ph.D. Thesis, Dept. ECE, Carnegie Mellon University, 2002.

    [7] M.S. Kranz and G.K. Fedder, “Micromechanical Vibratory Rate Gyroscopes Fabricated in Conventional CMOS,” Proc. Symposium Gyro Technology, Stuttgart, Germany, September 16, 1997, pp.3.0-3.8.

    [8] H. Song, Y.S. OH, I.S. Song, S.J. Kang, S.O. Choi, H.C. Kim, B.J Ha, S.S. Baek, C.M.Song, “Wafer Level Vacuum Packaged De-coupled Vertical Gyroscope by a New Fabrication Process,” Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop (MEMS’00), Japan, 2000, pp. 520-524.

    [9] Guohong He, and Khalil Najafi, “A Single Crystal Silicon Vibrating Ring Gyroscope,” Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop (MEMS’02), Las Vegas, Jan. 20-24, 2002, pp. 718-721.

    [10] D.B. Robert Formulas for Natural Frequency and Mode Shape . Malabar ,Florida: Krieger Publishing Company ,1995

    [11] H. Baltes, O. Brand, A. Hierlemann, D. Lange, and C. Hagleitner,” CMOS MEMS – present and future,” The 15th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. pp. 459-466, 2002.

    [12] M.S.-C. Lu,” Parallel-Plate Micro Servo for Probe-Based Data Storage” , Ph.D. Thesis ,Dept. ECE, Carnegie Mellon University, 2002.

    [13] David A. Johns, Ken Martin¸ Analog Integrated Circuit Design, John Wiley & Sons, 1997.

    [14] Behzad Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGRAW-HILL,2001.

    [15] Bernhard E. Boser, ”Electronics for Micromachined Inertial Sensor”, Ph.D. Thesis ,BerkeleySensor & Actuator Center, Dept. of Electrical Engineering and Computer Sciences University of California, 1997.

    [16] Bernhard E. Boser, ”Capacitive Position Sense Circuit”, Ph.D. Thesis ,Berkeley Sensor & Actuator Center, Dept. of Electrical Engineering and Computer Sciences University of California, 1996.

    [17] H. D. Wu, K. F. Harsh, R. S. Irwin, W. G. Zhang, A. R. Mickelson and Y. C. Lee, “MEMS Designed for Tunable Capacitors,” Microwave Symposium Digest, 1998 IEEE MTT-S International , Vol. 1, pp. 127-129(1998).

    [18] H. Baltes, O. Brand, A. Hierlemann, D. Lange, and C. Hagleitner,” CMOS MEMS – present and future,” The 15th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. pp. 459-466, 2002.

    [19] Jaecklin V. P., Linder C., Rooij N. F. de, and Moret J. M. “Comb Actuators for XY-Stage”, Sensors and Actuators, A 39, pp.83-89, 1993.

    [20] L. A. Yeh, C.-Y. Hui and N.C. Tien, “Electrostatic model for an asymmetric combdrive,” Journal of Microelectromechanical systems, 9, no.1, pp.126-135,2000.
    [21] H. Xie, and G.K. Fedder,”A CMOS-MEMS lateral-axis gyroscope” MEMS 2001. The 14th IEEE International Conference Micro Electro Mechanical Systems. Jan 2001 Page(s):162 – 165.

    [22] M. Palaniapan, Ph.D. Thesis, “Integrated surface micromachined frame microgyroscopes , U. C. Berkeley, 2002.

    [23] F. Rudolf, A. Jornod, J. Bergqvist, and H. Leuthold, “Precision accelerometers with μg resolution,” Sensors and Actuators A, 21-23, pp 297-302, 1990.
    [24] E. Peeters, S. Vergote, B. Puers, and W. Sansen, “A highly symmetrical capacitive micro-accelerometer with single degree-of-
    freedom response,” Transducers ’91, San Francisco, CA, June 1991, pp 97 -100.

    [25] 陳忠君, “振動式微陀螺儀電路系統之研究”, 國立交通大學碩士論文,2002.

    [25] 鍾啟晨, “應用於慣性感測器之微電容感測電路設計”, 國立清華大學碩士論文 , 2004.

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