梳齿式微机械加速度计加工工艺研究

摘要

硅微机械加速度计是一种重要的力学传感器，是最早研究的微机械惯性传感器之一，因为其易于小型化、硅材料良好的机械性能、硅微加工工艺成熟、便于和IC集成等特点，在航空导航、军用武器等领域有广泛应用。本论文以量程为±15g、加速度等价机械热噪声小于10μg/√Hz的加速度计为目标，基于梳齿电容检测和静电反馈的原理，运用反应离子深刻蚀技术制作微机械结构，对MEMS加速度计的设计和加工工艺进行了初步的探索性研究。
　　本文在对MEMS加速度计发展背景和国内外动态调研的基础上，分析了传统惯性传感力学模型以及变间距电容传感模型，针对课题目标进行了结构设计和模型建立，研究了包括振子结构本征频率、敏感轴与非敏感轴方向频率比值、系统机械热噪声、工作频带和线性度等开、闭环工作模式下系统各项性能参数，提出了加速度计的具体设计方案。然后利用有限元软件 ANSYS对已建立的弹簧-振子结构进行了模态分析。理论计算和仿真建模得到的模态分析结果均可验证系统在机械结构上的可靠性。工艺制作方面，本论文进行了梳齿式微机械加速度计加工工艺的探索性研究，提出了以SOI(Silicon On Insulator)硅片为基底的整体结构加工工艺流程，重点介绍了 SOI硅片器件层深刻蚀后的释放工艺，探索了多种不同的释放方法，并对结果进行了分析比较，最终采用干法释放方式成功实现了敏感质量块和活动梳齿的悬空。
　　对于加工出的加速度表头模块，我们结合电路进行了本征频率及Q值测试，测得共振频率为384.5Hz，Q值为104.5，由此推知整个加速度计表头的加速度等价机械热噪声为7.4×10-7g/√Hz，远低于我们的设计要求10-5g/√Hz。经过标定，加速度表头在开环状态下能够以127.4mV/g的灵敏度对外界加速度进行响应，实现了加速度的开环测量功能。该结构的加工效果与设计目标一致，预期在闭环模式工作时能够达到15g的加速度检测量程。本文工作为最终实现量程为±15g、热噪声小于10μg/√Hz、工作在静电闭环反馈模式的加速度计表头奠定了基础。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 课题研究主要内容

第二章 梳齿式微机械加速度计基本原理及结构设计

2.1 加速度计基本原理

2.2 梳齿电容式加速度计原理

2.3 梳齿式微机械加速度计表头结构设计

2.4 梳齿电容式微机械加速度计静电反馈分析

2.5 整体结构设计

2.6 本章小结

第三章 梳齿式微机械加速度计表头加工工艺研究

3.1 光刻工艺

3.2 深硅刻蚀(ICP)工艺

3.3 结构释放工艺

3.4 本章小结

第四章 梳齿式微机械加速度计测试

4.1 梳齿式微机械加速度计频率SEM测试

4.2 梳齿式微机械加速度计电路测试

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 标准工艺流程参数

附录2 硕士期间完成的论文