低G值扭摆式电容加速度计关键技术研究

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作者：

李源

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摘要：

航空航天、导航与制导等应用领域,对加速度计的漂移、测量精度要求越来越高。基于硅-玻璃键合和ICP刻蚀的体硅加工工艺,在MEMS器件加工中被普遍采用。但是,由于硅结构和玻璃衬底热膨胀系数很难完全匹配,当外界温度变化时,会产生较大的热应力,引起加速度计输出发生温度漂移,严重影响加速度计的测量精度。为此,本课题面向姿态控制等领域对高性能低G值加速度计的应用需求,提出一种带有应力隔离结构的扭摆式电容加速度计结构,开展其结构设计、加工与封装、检测电路、系统测试等研究,对减小加速度计温漂,提高加速度计测量精度具有重要的意义。本文的主要工作内容如下:(1)综述加速度计的国内外研究现状,阐述各类型加速度计的工作原理并分析其优缺点,确定论文的主要内容。(2)研究了扭摆式电容加速度计的工作原理,提出了带有应力隔离结构的扭摆式电容加速度计新结构,完成了结构设计。仿真分析表明:相同条件下,不带隔离结构的扭摆加速度计其热应力主要集中在扭转梁的末端,其最大应力约100Mpa;具有应力隔离结构的加速度计,热应力主要集中在缓冲折叠梁上,而扭转梁上的应力约为1.7MPa,仅为前者的1.7%。(3)设计了加速度计工艺流程,并采用硅-玻璃键合和ICP刻蚀工艺,完成了加速度计芯片的制作。仿真分析了不同贴片胶条件下,加速度计的热应力分布,结果表明:进行加速度计贴片工艺时,应选择杨氏模量和热膨胀系数较小的贴片胶。搭建测试平台,测量了在不同贴片条件下,加速度计的输出随温度的变化,验证了仿真结果的正确性。(4)研究单端载波调制、双路电荷放大的电容检测方法,设计了加速度计的外围检测电路,对载波产生、差分放大、带通滤波、移相、解调和低通滤波六个模块进行了详细设计和仿真验证。(5)研制了低G值MEMS加速度计原理样机,建立了加速度计测试平台,测试结果表明:加速度计系统的各个模块输出波形与仿真分析相符,加速度计的测量范围为±1g,灵敏度为2.479V/g,线性度为0.74%,零偏为0.854V,1小时漂移0.4mg,精度为0.86‰。

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关键词：

加速度计；热应力；应力隔离结构；硅-玻璃键合；贴片工艺

学位级别：

硕士

DOI：

CNKI:CDMD:2.1016.907784