论文题目: 一种压阻式微机械陀螺的研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 微电子学与固体电子学
作者: 陈雪萌
导师: 李昕欣
关键词: 微机械陀螺,压阻,温度补偿
文献来源: 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）
发表年度: 2005
论文摘要: 微机械陀螺是一种测量角速度或角位移的惯性传感器,具有体积小,可靠性高,价格便宜的优点,在汽车,电子和惯性导航领域有很大的潜力。微机械陀螺常见的检测方式有电容式和压阻式。与电容式陀螺相比,虽然压阻式陀螺的结构和接口电路比较简单,但是,比较低的灵敏度和压阻固有的温度效应极大地限制了它的应用。 本论文的主要工作是设计,制造,封装并测试了一种崭新的类音叉压阻式检测微机械陀螺。不但灵敏度比较高,而且能实现压阻系数的片上温度自补偿。陀螺采用静电驱动,压阻检测的工作方式,在大气下工作。用来检测Coriolis加速度的检测部分是悬臂梁—质量块结构的一种变形,用高强度的主悬臂梁保证机械强度和高谐振频率,极细小的微梁压阻检测Coriolis加速度引起的应力变化,并用微梁直拉直压理念优化微梁位置,获得高灵敏度。 利用一个压阻四端器件,开发了压阻系数温度效应的片上自补偿技术。温度补偿的方法是用驱动振幅的改变弥补温度变化对压阻系数的影响。温度补偿前的陀螺灵敏度温度系数是-0.235%,补偿后下降为-0.028%。 在制造过程中,采用先进的DRIE工艺。用普通硅片替代SOI硅片,实现了双面DRIE刻蚀,降低了工艺难度,简化了工艺步骤,显著降低了成本。 根据推导的压阻式陀螺的信号检测原理开发了一种简单的接口电路。陀螺的测试结果表明,陀螺的角速度灵敏度是21μv/°/s,噪声限制的角速度分辨率0.33°/s。陀螺检测部分两个加速度计的灵敏度分别为14.80mv/5V/g和14.49mv/5V/g,Q值分别是58和42,谐振频率分别是989Hz和990Hz。 本文开发的压阻式微机械陀螺具有进一步提高灵敏度的潜力,温度自补偿的设计极大的降低了压阻的温度效应。考虑到压阻式检测微机械陀螺比较简单的接口电路和比电容式检测具有更高的抗电磁干扰特性,本文开发的压阻式陀螺存在着广阔的实用前景。
论文目录:
摘要
Abstract
目录
第一章 序论
§1.1 MEMS概述
§1.1.1 MEMS技术
§1.1.2 MEMS的发展阶段
§1.1.3 典型的MEMS工艺
§1.2 陀螺概述
§1.2.1 陀螺的功能
§1.2.2 陀螺的分类
§1.2.3 典型的MEMS陀螺
§1.3 压阻式微机械陀螺概述
§1.4 本文所做的工作
第二章 陀螺工作原理与设计
§2.1 Coriolis效应和微机械陀螺的动力学方程
§2.2 陀螺的总体设计
§2.2.1 器件结构与工作原理
§2.2.2 误差来源
§2.3 陀螺驱动模态的设计
§2.3.1 静电驱动
§2.3.2 陀螺的驱动响应
§2.3.3 驱动响应的频率特性
§2.3.4 驱动模态的阻尼设计
§2.4 Coriolis加速度的检测
§2.4.1 Coriolis加速度检测原理
§2.4.2 微梁直拉直压检测原理
§2.4.3 微梁位置的确定
§2.4.4 检测部分的频率特性
§2.4.5 检测部分的加速度灵敏度
§2.4.6 检测模态的阻尼设计
§2.5 陀螺的角速度灵敏度
§2.6 陀螺的仿真
§2.7 压阻温度效应的补偿
§2.7.1 压阻四端器件的设计
§2.7.2 温度补偿的原理
§2.8 小节
第三章 陀螺的制造工艺
§3.1 DRIE工艺简介
§3.2 陀螺的工艺设计
§3.3 DRIE工艺中的问题与解决
§3.4 陀螺的工艺流程及结果
§3.5 陀螺工艺中的创新点
第四章 陀螺的接口电路
§4.1 压阻惠斯顿电桥信号检测原理
§4.2 陀螺的信号处理模型
§4.3 寄生信号对陀螺信号影响的分析
§4.3.1 寄生振动对陀螺信号影响的分析
§4.3.2 正交误差对陀螺信号影响的分析
§4.4 接口电路设计与实现
§4.5 陀螺的片上温度自补偿
第五章 陀螺的性能测试
§5.1 驱动模态幅频特性
§5.2 静态加速度特性
§5.3 检测模态幅频特性
§5.4 陀螺的角速度灵敏度
§5.5 陀螺的噪声特性
§5.6 压阻元件的温度系数
§5.7 小节
第六章 结论
参考文献
攻读博士期间发表的文章及申请的专利
致谢
个人简历
学位论文独创性声明
学位论文使用授权声明
发布时间: 2006-02-08
参考文献
- [1].基于滑膜阻尼效应的音叉式微机械陀螺研究[D]. 陈永.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）2004
- [2].无驱动结构硅微机械陀螺动态特性及姿态解算研究[D]. 张增平.北京邮电大学2014
- [3].无驱动结构微机械陀螺仪设计与制作关键技术研究[D]. 刘宇.北京邮电大学2013
- [4].音叉振动式微机械陀螺结构拓扑自组织设计方法的研究[D]. 刘广军.上海交通大学2007
- [5].全对称双级解耦微机械振动式陀螺研究[D]. 陈宏.哈尔滨工业大学2008
- [6].无驱动结构的硅微机械陀螺若干关键技术研究[D]. 吴立锋.北京邮电大学2010
相关论文
- [1].微机械陀螺的材料及器件设计研究[D]. 陈垚.中国科学院上海冶金研究所2000
- [2].硅微型陀螺仪的力学分析和数学模型[D]. 罗跃生.哈尔滨工程大学2003
- [3].栅结构微机械振动式陀螺[D]. 熊斌.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）2001
- [4].基于滑膜阻尼效应的音叉式微机械陀螺研究[D]. 陈永.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）2004
- [5].高信噪比电容式微机械陀螺的研究[D]. 李锦明.中北大学2005
- [6].电容式微惯性器件设计理论与方法研究[D]. 刘宗林.国防科学技术大学2004
- [7].微机电陀螺误差建模及其在飞行器组合导航中的应用[D]. 李新刚.西北工业大学2004
- [8].提高硅微陀螺仪性能若干关键技术研究[D]. 施芹.东南大学2006
- [9].音叉振动式微机械陀螺结构动态性能解析与健壮性设计[D]. 张正福.上海交通大学2007
- [10].硅微机械加速度开关技术研究[D]. 贾孟军.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）2007