高精度大動態(tài)范圍硅基撓性加速度計研制.pdf

1、加速度計是慣性測量系統(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、重力輔助導航等領域有廣泛的應用，這些應用對加速度計的噪聲水平、動態(tài)范圍提出了很高的要求。硅材料具有結構穩(wěn)定、Q值高等優(yōu)點，是制作高精度加速度的理想材料之一，但常規(guī) MEMS加速度計追求質(zhì)量、體積小型化，因此機械熱噪聲大，應用范圍一般為低精度領域；傳統(tǒng)的撓性結構加速度計技術成熟，應用領域廣。本論文將硅基材料的穩(wěn)定性與撓性加速度計技術成熟的優(yōu)點結合，以地球重力場精密測量

2、為應用目標，研發(fā)量程大于1g，分辨率達到ng水平的硅基撓性加速度計。
　　首先對硅基撓性加速度計的表頭結構進行優(yōu)化設計。為增大檢驗質(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)彈簧設計；為了增大非敏感方向剛度，引入框架結構；為了減小彈簧和框架對結構量程的影響，進行了彈簧間隙不等寬度設計；為了提高結構過載能力，引入過載保護設計。通過仿真分析，彈簧-振子結構固有頻率約為15Hz，大氣下機械熱噪聲約為1ng/√Hz，量程為±

3、2.4g。為了提高電容位移檢測動態(tài)范圍，進行了陣列電容極板和單電容極板組合輸出設計，陣列電容極板設計靈敏度62pF/g，實現(xiàn)小測量范圍內(nèi)高精度測量，左右陣列極板交替輸出避開輸出拐點；單電容極板設計靈敏度0.45pF/g，實現(xiàn)整個測量范圍內(nèi)的粗測量，陣列電容極板和單電容極板組合輸出達到增大測量動態(tài)范圍的目的，最后進行了磁力反饋設計。
　　接著對加速度計表頭加工工藝進行摸索。為了實現(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、度計的結構由三個金屬層、兩個絕緣層和一個體硅結構組成，其加工過程包含125個串聯(lián)的工藝步驟驟。首先針對光刻、鍍膜、深硅刻蝕等單層工藝進行研究，再對串聯(lián)加工時出現(xiàn)的工藝穩(wěn)定性、兼容性問題進行研究和優(yōu)化，針對 PSPI穩(wěn)定性問題設計了梯度升溫退火工藝；針對剝離殘余物問題引入了雙層膠剝離工藝；針對深硅刻蝕殘余物問題設計了與 PSPI兼容地氧灰化、有機清洗組合工藝；針對SiO2穩(wěn)定性、導通性問題設計了Cr保護、檢測層等，最終成功實現(xiàn)了硅基撓性加

5、速度計表頭的加工。
　　最后對加速度計進行測試，并對測試結果中暴露的問題進行研究和優(yōu)化。為測試加速度計，制作了高精度電容位移檢測電路、設計裝夾夾具、搭建測試平臺。通過光學、電學、傾斜法標定等測試驗證了加速度計能正常工作，但陣列電容極板標定靈敏度低于設計值約兩個量級，單電容極板輸出線性度很差。通過對加速度計陣列電容傳感進行原理研究、仿真分析和實驗驗證，確定了極板間距、寄生電容、電容邊緣效應三個影響靈敏度的因素，提出了利用較厚的PSP

6、I做介質(zhì)減小寄生電容、設計加速度計倒置工作模式減小極板間距和電容邊緣效應的結構、工藝改進方案。改進的硅基撓性加速度計陣列電容極板測試靈敏度達到55pF/g，單電容極板靈敏度0.4pF/g，與設計值在誤差范圍內(nèi)吻合。通過實驗測試，開環(huán)加速度計的靜態(tài)本底噪聲為86 ng/√Hz@0.1Hz，25ng/√Hz@1Hz。通過振動臺測試，加速度計量程為±1.4g。同時對單電容極板輸出線性度問題進行優(yōu)化，并實現(xiàn)硅基撓性加速度計反饋控制功能。