高精度大動(dòng)態(tài)范圍硅基撓性加速度計(jì)研制.pdf

1、加速度計(jì)是慣性測(cè)量系統(tǒng)的核心部件之一，在地質(zhì)勘查、礦產(chǎn)與油氣田資源勘探、重力輔助導(dǎo)航等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，這些應(yīng)用對(duì)加速度計(jì)的噪聲水平、動(dòng)態(tài)范圍提出了很高的要求。硅材料具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、Q值高等優(yōu)點(diǎn)，是制作高精度加速度的理想材料之一，但常規(guī) MEMS加速度計(jì)追求質(zhì)量、體積小型化，因此機(jī)械熱噪聲大，應(yīng)用范圍一般為低精度領(lǐng)域；傳統(tǒng)的撓性結(jié)構(gòu)加速度計(jì)技術(shù)成熟，應(yīng)用領(lǐng)域廣。本論文將硅基材料的穩(wěn)定性與撓性加速度計(jì)技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，以地球重力場(chǎng)精密測(cè)量

2、為應(yīng)用目標(biāo)，研發(fā)量程大于1g，分辨率達(dá)到ng水平的硅基撓性加速度計(jì)。
　　首先對(duì)硅基撓性加速度計(jì)的表頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為增大檢驗(yàn)質(zhì)量，采用大深寬比的深硅刻蝕；為了降低固有頻率，引入了串聯(lián)彈簧設(shè)計(jì)；為了增大非敏感方向剛度，引入框架結(jié)構(gòu)；為了減小彈簧和框架對(duì)結(jié)構(gòu)量程的影響，進(jìn)行了彈簧間隙不等寬度設(shè)計(jì)；為了提高結(jié)構(gòu)過載能力，引入過載保護(hù)設(shè)計(jì)。通過仿真分析，彈簧-振子結(jié)構(gòu)固有頻率約為15Hz，大氣下機(jī)械熱噪聲約為1ng/√Hz，量程為±

3、2.4g。為了提高電容位移檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍，進(jìn)行了陣列電容極板和單電容極板組合輸出設(shè)計(jì)，陣列電容極板設(shè)計(jì)靈敏度62pF/g，實(shí)現(xiàn)小測(cè)量范圍內(nèi)高精度測(cè)量，左右陣列極板交替輸出避開輸出拐點(diǎn)；單電容極板設(shè)計(jì)靈敏度0.45pF/g，實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的粗測(cè)量，陣列電容極板和單電容極板組合輸出達(dá)到增大測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍的目的，最后進(jìn)行了磁力反饋設(shè)計(jì)。
　　接著對(duì)加速度計(jì)表頭加工工藝進(jìn)行摸索。為了實(shí)現(xiàn)電容極板組合輸出、磁力反饋控制、密封封裝等功能，加速

4、度計(jì)的結(jié)構(gòu)由三個(gè)金屬層、兩個(gè)絕緣層和一個(gè)體硅結(jié)構(gòu)組成，其加工過程包含125個(gè)串聯(lián)的工藝步驟驟。首先針對(duì)光刻、鍍膜、深硅刻蝕等單層工藝進(jìn)行研究，再對(duì)串聯(lián)加工時(shí)出現(xiàn)的工藝穩(wěn)定性、兼容性問題進(jìn)行研究和優(yōu)化，針對(duì) PSPI穩(wěn)定性問題設(shè)計(jì)了梯度升溫退火工藝；針對(duì)剝離殘余物問題引入了雙層膠剝離工藝；針對(duì)深硅刻蝕殘余物問題設(shè)計(jì)了與 PSPI兼容地氧灰化、有機(jī)清洗組合工藝；針對(duì)SiO2穩(wěn)定性、導(dǎo)通性問題設(shè)計(jì)了Cr保護(hù)、檢測(cè)層等，最終成功實(shí)現(xiàn)了硅基撓性加

5、速度計(jì)表頭的加工。
　　最后對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果中暴露的問題進(jìn)行研究和優(yōu)化。為測(cè)試加速度計(jì)，制作了高精度電容位移檢測(cè)電路、設(shè)計(jì)裝夾夾具、搭建測(cè)試平臺(tái)。通過光學(xué)、電學(xué)、傾斜法標(biāo)定等測(cè)試驗(yàn)證了加速度計(jì)能正常工作，但陣列電容極板標(biāo)定靈敏度低于設(shè)計(jì)值約兩個(gè)量級(jí)，單電容極板輸出線性度很差。通過對(duì)加速度計(jì)陣列電容傳感進(jìn)行原理研究、仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定了極板間距、寄生電容、電容邊緣效應(yīng)三個(gè)影響靈敏度的因素，提出了利用較厚的PSP

6、I做介質(zhì)減小寄生電容、設(shè)計(jì)加速度計(jì)倒置工作模式減小極板間距和電容邊緣效應(yīng)的結(jié)構(gòu)、工藝改進(jìn)方案。改進(jìn)的硅基撓性加速度計(jì)陣列電容極板測(cè)試靈敏度達(dá)到55pF/g，單電容極板靈敏度0.4pF/g，與設(shè)計(jì)值在誤差范圍內(nèi)吻合。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，開環(huán)加速度計(jì)的靜態(tài)本底噪聲為86 ng/√Hz@0.1Hz，25ng/√Hz@1Hz。通過振動(dòng)臺(tái)測(cè)試，加速度計(jì)量程為±1.4g。同時(shí)對(duì)單電容極板輸出線性度問題進(jìn)行優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)硅基撓性加速度計(jì)反饋控制功能。