一种新型硅微加速度计的设计与制造工艺研究

论文摘要

微加速度计是惯性导航系统中最重要的惯性器件之一,其精度水平直接影响和决定导航和制导的精度。在众多种类的加速度计中,电容式加速度计由于具有高灵敏度、较好的噪声特性、低漂移和低温度灵敏度而受到大家的广泛关注。为了得到较高的灵敏度,需要制造大质量块和低刚度的支撑梁。在现有的MEMS加速度计中,得到大质量块的典型方法是硅-硅键合和体硅微加工。对于微传感器和微执行器来说,多层圆片键合是一种可行的三维制造工艺,但是,硅-硅键合需要在很高的温度下进行,为了降低硅-硅键合结构的应力,通常还需要采用退火处理。浓硼掺杂可以获得柔软的弹性梁,但是这种方法引入了残余应力,影响了器件的性能。不同于传统的浓硼掺杂和硅-硅键合的方法,本文提出了一种基于TMAH各向异性湿法刻蚀工艺制造双面梁-质量块结构的电容式硅微加速度计,开展了以下研究:1.针对加速度计检测电容与检测电路分立元件不匹配的问题,设计了具有片上匹配电容的微加速度计结构,有利于提高加速度计的零偏稳定性,并对其结构进行了理论建模,其中包括三角形截面梁的力学特性分析,工作模态频率理论分析。根据结构设计理论和加工工艺条件,优化了加速度计的结构尺寸,并进行了理论分析和有限元仿真。2.设计了三角形截面梁微加速度计的加工工艺流程,对工艺中的关键问题进行了研究。利用MATLAB对三角形截面梁的腐蚀过程进行了模拟,并通过实验验证了仿真的正确性,制作了微加速度计样片。3.针对电容式微加速度计,设计了单载波调制型检测电路。根据各模块工作原理确定了电路参数,制作了信号检测电路。制定了加速度计性能测试方案,搭建测试平台。根据该方案,对开环加速度计进行了灵敏度、非线性和零偏稳定性三个方面的性能测试。所测加速度计的灵敏度为259mV/g,±1g范围内非线性度为2.815%,3小时内零偏稳定性为1.4mg。4.分析了微加速度计制作工艺误差来源和噪声特性,针对加工误差提出了控制方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外微加速度计研究现状
• 1.2.2 国内微加速度计研究现状
• 第二章 加速度计结构设计
• 2.1 加速度计的整体结构设计
• 2.1.1 硅-玻璃结构的确定
• 2.1.2 梁-质量块结构的选择
• 2.1.3 片上匹配电容结构的考虑
• 2.2 加速度计的力学模型及仿真
• 2.2.1 开环加速度计的灵敏度
• 2.2.2 加速度计的频率响应
• 2.3 结构参数的确定
• 2.4 本章小结
• 第三章 加速度计的制作工艺
• 3.1 主要工艺流程
• 3.1.1 梁-质量块加工工艺
• 3.1.2 玻璃衬底加工工艺
• 3.2 工艺中的关键问题
• 3.2.1 双面梁制作的一般方法
• 3.2.2 三角形截面梁的腐蚀工艺
• 3.3 本章小结
• 第四章 电容检测电路设计
• 4.1 信号检测电路方案
• 4.1.1 电路类型的确定
• 4.1.2 载波的类型与驱动方式
• 4.2 电路模块的设计
• 4.2.1 差分放大模块设计
• 4.2.2 解调和移相模块设计
• 4.2.3 末端低通滤波模块设计
• 4.3 影响电路性能的因素
• 4.3.1 移相电路的精度
• 4.3.2 电荷放大器不一致
• 4.4 本章小结
• 第五章 加速度计的性能测试与误差分析
• 5.1 重力场静态翻滚试验
• 5.1.1 测试方法
• 5.1.2 测试结果
• 5.2 非线性度
• 5.2.1 变间距检测的理论非线性
• 5.2.2 测试结果
• 5.3 零偏稳定性
• 5.4 误差分析
• 5.4.1 微加速度计的制造误差
• 5.4.2 微加速度计的噪声
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果