微光学集成的高精度MOEMS加速度传感器研究

摘要

微加速度传感器是军械、车辆、船舶等抗冲击、抗振动测量，地震监测，惯性导航与制导系统的重要传感器，特别是微型10-6-10-9 g量级的高精度加速度传感器更是先进军事与国防创新研究的高技术基础，对精密导航，目标定位，陆地，太空及海洋重力分布测量具有突破性意义。近年来国外的MEMS加速度传感器技术发展很快，但是国内在加速度传感器技术上尚未有突破，仍沿用传统的压电技术等，精度上大体处于10-4-10-5g的水平。本课题所做的研究，主要是为了填补国内在高精度微加速度传感器方面的空白，对于提升国家整体的惯导技术水平具有重要意义。
　　 本文提出了一种微光学集成的高精度MOEMS加速度传感器，开创性的设计了由光栅、压电陶瓷和硅微机械结构组成的三明治式加速度传感芯片，并通过微加工技术完成了该方案的加速度传感器原理样机的制作。基于相位调制-解调的信号处理方法，对制作完成的加速度传感器原理样机进行了静态测试与分析。本论文的研究内容主要包括以下几个方面:
　　 1.简要介绍了加速度传感器的工作原理、分类方法以及发展进程，并给出了MEMS和MOEMS的概念，详细分析了一些典型的MEMS和MOEMS加速度传感器的工作原理、发展现状及各自的优缺点。提出了本文的主要研究内容、研究方案目标、以及主要的创新点。
　　 2.将迈克尔逊干涉仪与光栅测量技术结合，提出了由光栅、压电陶瓷和反射镜组成的相位敏感的光栅干涉结构，建立了相位调制的光栅干涉技术理论，推导了各级次干涉光强与位移之间的函数关系式。结合相位调制-解调技术，提出了相位调制的光栅干涉技术可用于纳米量级以下位移的检测。由于加速度是位移的二次微分，因而，该光栅干涉技术可以扩展用于加速度的测量。
　　 3.根据加速度传感器的力学模型，结合光栅干涉技术理论，开创性的设计了由光栅、压电陶瓷和硅微机械结构组成的三明治式加速度传感芯片，建立了微光学集成的高精度MOEMS加速度传感器的理论与模型，并推导出了各级次干涉光强与加速度之间的函数关系式。利用ANSYS有限元仿真分析软件，围绕微机械传感结构的参数设计、建模、并对其模态、线性等性能进行了仿真分析。最后，根据该方案的加速度传感器的输出信号特性，提出了基于相位调制-解调的信号检测方法。
　　 4.结合微光学集成的高精度MOEMS加速度传感器系统的组成，依次介绍了各个组成元件及其参数等。包括利用电子束曝光技术制作光栅;压电陶瓷的参数与性能;采用光刻、ICP(Inductively Coupled Plasma)即感应等离子体刻蚀等技术加工制作硅微机械传感结构。然后，对制作完成的光栅、压电陶瓷、硅微机械传感结构进行封装与键合，完成了三明治式加速度传感芯片的制作与封装。最后详细介绍了加速度传感器系统的信号处理电路的工作原理及各电子元器件的选择。
　　 5.为了对微光学集成的高精度MOEMS加速度传感器的原理样机进行性能的测试与分析，我们在高精度光学转台上搭建了静态重力场测试平台。针对评价微加速度传感器的主要性能指标参数，我们主要完成了灵敏度、线性度、迟滞性、重复性与稳定性等参数的测试与分析。经过多次、反复实验，其测试结果表明我们制作完成的加速度传感器，在一个周期的线性区域内，采用相位调制-解调方式的加速度探测灵敏度为1676 V/g，分辨率小于3.1μg，且具有良好的稳定性与重复性。
　　 最后，本文对所涉及的研究工作进行了总结，并对未来的主要工作内容与方向提出了展望。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 微加速度传感器概述

1．1．1 加速度传感器的分类

1．1．2 加速度传感器的主要参数

1．2 MEMS加速度传感器

1．2．1 MEMS概念及发展

1．2．2 MEMS加速度传感器

1．3 MOEMS加速度传感器

1．3．1 MOEMS概念及发展

1．3．2 目前典型的MOEMS加速度传感器

1．4 本文的主要研究内容及创新点

1．4．1 课题研究背景与目标

1．4．2 本论文主要的研究内容

1．4．3 本课题研究的创新点

参考文献

第2章 相位调制的光栅干涉技术理论及特性研究

2．1 干涉测试技术

2．1．1 迈克尔逊干涉仪

2．1．2 光栅测量技术

2．2 光栅干涉技术理论及特性分析

2．2．1 光栅干涉技术理论

2．2．2 光学特性分析

2．3 相位调制的光栅干涉技术

2．3．1 相位调制-解调技术

2．3．2 相位调制的光栅干涉技术理论

2．4 本章小结

参考文献

第3章 微光学集成的高精度MOEMS加速度传感器理论

3．1 微加速度传感器的传感理论

3．1．1 加速度传感器的力学模型

3．1．2 微机械传感结构的设计与力学建模

3．2 微机械传感结构的有限元分析

3．2．1 有限元方法简介

3．2．2 微机械传感结构的有限元分析

3．3 微光学集成的高精度MOEMS加速度传感器的理论模型

3．3．1 三明治式加速度传感理论

3．3．2 加速度传感器的主要性能指标与测试方法

3．3．3 系统信号检测方法

3．4 本章小结

参考文献

第4章 微光学集成的高精度MOEMS加速度传感器制作工艺研究

4．1 加速度传感器的组成

4．2 压电陶瓷

4．3 光栅的制作

4．4 硅微机械结构的制作

4．4．1 微机械加工技术

4．4．2 光刻

4．4．3 ICP刻蚀技术

4．4．4 硅微机械传感结构的制作流程与工艺

4．5 三明治式传感芯片的封装与集成

4．6 微光学集成的MOEMS加速度传感器的信号处理系统

4．6．1 信号处理方案

4．6．2 器件的选择

4．7 本章小结

参考文献

第5章 微光学集成的高精度MOEMS加速度传感器性能测试

5．1 静态测试实验平台

5．2 MOEMS加速度传感器输出信号的特点

5．3 性能参数的测试与分析

5．3．1 灵敏度与线性度的测试与分析

5．3．2 迟滞性测试

5．3．3 重复性与稳定性测试

5．3．4 横向串扰分析

5．3．5 噪声测试与分析

5．3．6 分辨率分析

5．4 本章小结

参考文献

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 未来工作

攻读博士学位期间所取得的科研成果