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一种新型硅微加速度计的设计与制造工艺研究

作　者: 吕宇
导　师: 崔红娟
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 机械工程
关键词: 微加速度计三角形截面梁湿法腐蚀片上匹配电容
分类号: TH824.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 42次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-19
  1.1 课题的研究背景与意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-19
    1.2.1 国外微加速度计研究现状  13-17
    1.2.2 国内微加速度计研究现状  17-19
第二章加速度计结构设计  19-32
  2.1 加速度计的整体结构设计  19-22
    2.1.1 硅-玻璃结构的确定  19-20
    2.1.2 梁-质量块结构的选择  20-21
    2.1.3 片上匹配电容结构的考虑  21-22
  2.2 加速度计的力学模型及仿真  22-27
    2.2.1 开环加速度计的灵敏度  22-25
    2.2.2 加速度计的频率响应  25-27
  2.3 结构参数的确定  27-31
  2.4 本章小结  31-32
第三章加速度计的制作工艺  32-43
  3.1 主要工艺流程  32-36
    3.1.1 梁-质量块加工工艺  32-34
    3.1.2 玻璃衬底加工工艺  34-36
  3.2 工艺中的关键问题  36-42
    3.2.1 双面梁制作的一般方法  37-38
    3.2.2 三角形截面梁的腐蚀工艺  38-42
  3.3 本章小结  42-43
第四章电容检测电路设计  43-58
  4.1 信号检测电路方案  43-47
    4.1.1 电路类型的确定  43-44
    4.1.2 载波的类型与驱动方式  44-47
  4.2 电路模块的设计  47-55
    4.2.1 差分放大模块设计  47-51
    4.2.2 解调和移相模块设计  51-53
    4.2.3 末端低通滤波模块设计  53-55
  4.3 影响电路性能的因素  55-57
    4.3.1 移相电路的精度  55-56
    4.3.2 电荷放大器不一致  56-57
  4.4 本章小结  57-58
第五章加速度计的性能测试与误差分析  58-70
  5.1 重力场静态翻滚试验  58-60
    5.1.1 测试方法  58
    5.1.2 测试结果  58-60
  5.2 非线性度  60-62
    5.2.1 变间距检测的理论非线性  60-61
    5.2.2 测试结果  61-62
  5.3 零偏稳定性  62-63
  5.4 误差分析  63-69
    5.4.1 微加速度计的制造误差  63-67
    5.4.2 微加速度计的噪声  67-69
  5.5 本章小结  69-70
第六章总结与展望  70-72
  6.1 全文总结  70
  6.2 工作展望  70-72
致谢  72-73
参考文献  73-78
作者在学期间取得的学术成果  78

一种新型硅微加速度计的设计与制造工艺研究

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