基于新型梳狀柵電容結(jié)構(gòu)的微機(jī)械慣性傳感器研究.pdf

1、本論文在對傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)的慣性傳感器進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的梳狀柵電容結(jié)構(gòu)，并對基于此結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)和陀螺進(jìn)行了研究。具體工作包括：加速度計(jì)和陀螺器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作、接口電路設(shè)計(jì)、性能測試及性能優(yōu)化等。
　　 (1)與傳統(tǒng)柵電容結(jié)構(gòu)相比，本論文所提的梳狀柵電容結(jié)構(gòu)的柵電極不完全刻穿，而僅需刻蝕數(shù)十微米，有效的提高了加速度計(jì)和陀螺的可動質(zhì)量塊質(zhì)量，從而使器件的機(jī)械靈敏度提高，機(jī)械熱噪聲下降。典型設(shè)計(jì)下，可動質(zhì)量塊質(zhì)量可

2、提高54％，使得加速度計(jì)和陀螺的機(jī)械靈敏度在同樣的尺寸下分別提高54％和92％，機(jī)械熱噪聲分別下降35％和48％。另外，新的柵電容結(jié)構(gòu)也使得柵電極的形成和結(jié)構(gòu)的釋放分開，極大的降低了深反應(yīng)離子刻蝕過程中的凹缺效應(yīng)和滯后效應(yīng)對微結(jié)構(gòu)的損傷，提高了器件的加工質(zhì)量以及成品率。
　　 (2)建立了靜電驅(qū)動的框架式柵電容陀螺的機(jī)械靈敏度分析模型，分析發(fā)現(xiàn)，在芯片面積和驅(qū)動電壓一定的條件下，當(dāng)驅(qū)動外框與檢測質(zhì)量塊的面積相等時，可以使得器件的

3、機(jī)械靈敏度達(dá)到最大，從而實(shí)現(xiàn)了對陀螺性能的優(yōu)化。針對深反應(yīng)離子刻蝕過程中的滯后效應(yīng)、凹缺效應(yīng)和厚膠的邊緣效應(yīng)造成的彈性梁尺寸誤差，提出了陀螺的驅(qū)動和檢測彈性梁、驅(qū)動和檢測柵電極的等寬和低深寬比設(shè)計(jì)原則，從而使尺寸誤差和工藝離散性造成的陀螺頻率匹配偏差降到最低。對陀螺原型器件的實(shí)際測試表明：同批次陀螺諧振頻率的標(biāo)準(zhǔn)差相較改進(jìn)前降低了79％以上；工藝離散性導(dǎo)致同批次陀螺的諧振頻率最大相差132Hz，但陀螺驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的頻率差的均值為7

4、.5Hz，與設(shè)計(jì)值6Hz接近，標(biāo)準(zhǔn)差為16.5Hz，保持了頻率匹配。
　　 (3)對加速度計(jì)和陀螺的實(shí)際測試表明，采用單端輸入一雙端差分輸出結(jié)構(gòu)的電容檢測電路，可抵消雙端輸出中相關(guān)性較高的共模噪聲，電容檢測信號經(jīng)過差分放大后實(shí)測的信噪比提高了約13dB。對加速度計(jì)和陀螺的噪聲進(jìn)行了建模分析，分析結(jié)果均與加速度計(jì)和陀螺實(shí)測的噪聲基底在同一數(shù)量級上。在根據(jù)噪聲模型分析結(jié)果對微機(jī)械陀螺的性能進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)測的陀螺在1Hz處的噪聲基底從

5、0.023°/s/√Hz降低到0.0079°/s/√Hz
　　 由于加速度計(jì)和陀螺均采用變面積電容檢測法線性敏感位移變化，兩者都獲得了很高的線性度：實(shí)測加速度計(jì)在±1g內(nèi)的線性度為99.997％，±30g內(nèi)的線性擬合曲線的二次項(xiàng)和一次項(xiàng)系數(shù)比159ppm；陀螺在±43°/s內(nèi)的線性度為99.995％，±200°/s內(nèi)的線性擬合曲線的二次項(xiàng)和一次項(xiàng)系數(shù)比為203ppm。加速度計(jì)和陀螺的工作阻尼主要是滑膜阻尼，這使得器件在大氣壓下也