单芯片集成双惯性器件研究

论文摘要

本论文直接对小型/微型/纳米卫星的导航关键部件——惯性器件加以研究,从对两类惯性参数的单片集成检测进行综合设计开始,结合存储测试技术的微型化研究,计划最终实现微型单芯片惯性测量组合(MIMU)及其测试系统集成。应用在在微纳卫星上,充分发挥微惯性测量单元具有的体积小,重量轻、功耗小、成本低和可靠性高等优点,为此,本课题提出根据微惯性技术理论来设计一种单芯片集成惯性传感器,利用同一质量块,实现同方向上线加速度和角速度的检测。该项技术的发展,为解决微纳卫星的自我控制开辟了广阔的道路;同时,该技术不仅可以应用于小型/微型/纳米卫星对地定向和姿态控制系统,而且也可以应用在车载惯性系统以及其它导航系统等领域。本论文工作主要围绕所发明的一种基于MEMS的单芯片双惯性集成惯性器件开展,对单片集成传感器的现状进行了总结,分析了当前集成传感器主要的发展趋势;建立了单芯片双惯性集成传感器的动力学模型,给出了数学模型的求解方法;同时,本论文完成了一种具有解耦结构、电容检测的单芯片双惯性集成传感器的结构设计,根据模型对结构进行了分析和研究;制定了器件的制作工艺并对器件进行了加工流片,在版图设计的基础上加工出了集成惯性传感器芯片,对芯片进行了封装;结合相关解调算法设计了相应的驱动和检测电路,对传感器进行了初步的测试,得到了较为理想的结果;在此基础上就单片集成传感器耦合与误差的产生和消除进行了研究,总结了耦合与误差产生的种类和根源,提出了减小和消除耦合与误差的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 MEMS传感器发展及应用前景概述
• 1.1.1 MEMS传感器发展概述
• 1.1.2 MEMS技术未来的发展趋势概述
• 1.2 MEMS集成传感器发展与研究现状
• 1.2.1 MEMS集成传感器研究现状
• 1.2.2 单片集成MEMS的主要技术现状
• 1.3 本课题的研究目的及意义
• 1.4 论文内容安排
• 第二章 单芯片集成传感器的原理设计
• 2.1 单芯片双惯性集成传感器的原理设计
• 2.1.1 线加速度传感器的工作原理
• 2.1.2 电容式角加速度传感器的工作原理
• 2.1.3 线加速度与角架速率集成检测的原理设计
• 2.2 电容驱动、检测原理设计
• 2.3 静电力原理
• 本章小结
• 第三章 单芯片双惯性集成传感器的结构设计
• 3.1 单芯片双惯性集成传感器结构的确定
• 3.1.1 最初结构形式
• 3.1.2 新结构形式
• 3.1.3 结构尺寸的确定
• 3.2 集成传感器关键参数研究
• 3.2.1 单芯片集成传感器振动模态研究
• 3.2.2 单芯片集成传感器动力学研究
• 3.3 单芯片双惯性集成传感器仿真分析
• 3.3.1 Ansys仿真分析
• 3.3.2 系统方程Matlab-simulink仿真分析
• 本章小结
• 第四章 单芯片集成传感器的耦合及误差分析
• 4.1 单芯片集成传感器的耦合分析
• 4.1.1 机械耦合的产生与消除
• 4.1.2 Z向运动对X、Y向的影响
• 4.1.3 X、Y向运动对Z向的影响
• 4.1.4 非加速度检测方向的加速度耦合分析
• 4.2 误差的分析
• 4.2.1 正交误差及其影响
• 4.2.2 误差补偿技术
• 4.2.3 寄生哥氏力
• 4.2.4 模态匹配
• 4.2.5 信号处理对误差的影响
• 4.2.6 噪声源影响
• 4.2.7 加速度计压膜阻尼的分析
• 本章小结
• 第五章 单芯片双惯性集成传感器的工艺及加工研究
• 5.1 单芯片双惯性集成传感器工艺流程与版图设计
• 5.1.1 版图层定义
• 5.1.2 工艺流程说明
• 5.1.3 集成单芯片双惯性传感器版图设计规则
• 5.2 集成单芯片双惯性传感器版图设计
• 5.2.1 版图设计
• 5.2.2 关键工艺研究
• 5.3 单芯片集成双惯性传感器的封装
• 本章小结
• 第六章 单芯片双惯性集成传感器的接口电路设计及性能测试
• 6.1 线加速度检测电路设计
• 6.2 传感器线速度检测性能测试
• 6.3 角加速度驱动和检测电路设计
• 6.4 集成传感器角速度检测性能测试
• 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 论文的主要内容及结论
• 7.2 进一步的工作建议
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所取得的成果