Minimization of the capacitance temperature dependency in a micromechanical sensor

Abstract

Tässä opinnäytetyössä pyritään parantamaan kapasitiiviseen mittaustekniikkaan perustuvan kiihtyvyysanturin suorituskykyä minimoimalla aktiivikapasitanssin suhteellinen lämpötilariippuvuus. Lämpötilan muuttuessa rakenteessa tapahtuu materiaalien pituuden lämpötilakertoimien eroista johtuvia muodonmuutoksia, joita pyritään hallitsemaan lasikerroksen rakenteellisilla muutoksilla.

Lasikerroksen vaikutusta kiihtyvyysanturin termomekaaniseen käyttäytymiseen pyritään selvittämään teoreettisen tarkastelun lisäksi simuloimalla sekä kokeellisten testien avulla. Mallinnusosuudessa pyritään selvittämään porraslasirakenteen lasikerrospaksuuksien optimaalisia arvoja aktiivikapasitanssin lämpötilariippuvuuden minimoimiseksi. Kokeellisessa osuudessa vertaillaan perinteisiä anturirakenteita näytteisiin, jotka on valmistettu uudella porraslasitekniikalla. Kokeellisessa osuudessa antureiden suorituskykyä mitataan myös niiltä osin, mitä ei simuloinneissa ollut mahdollista toteuttaa.

Vertailemalla kokeellisia ja simuloitujen mallien antamia tuloksia keskenään pyritään verifioimaan elementtimenetelmän käytettävyyttä MEMS-rakenteiden simuloinneissa tulevien tuotekehityshankkeiden edistämiseksi.

Tulokset porraslasirakenteen käyttäytymisestä sekä simuloinnin että kokeellisen työn perusteella olivat erittäin rohkaisevia. Tietyillä rakenteilla saavutetaan aktiivikapasitanssin osalta jopa negatiivinen lämpötilariippuvuus, joten riippuvuuden säätäminen nollaan on myös mahdollista. Rakennemuutoksen tuotannollisia vaatimuksia ei vielä tunneta, mutta tiedetään että kiihtyvyysanturin porraslasirakenne on perinteistä rakennetta herkempi epäsymmetrialle. Valmistustoleranssien selvittäminen vaatii laajempaa kokeellista osuutta eli uusien näytteiden valmistamista ja testaamista.