低G值扭摆式电容加速度计关键技术研究

发布时间：2017-09-02 02:02

  本文关键词：低G值扭摆式电容加速度计关键技术研究

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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‰。
【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
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH824.4
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 绪论9-21
• 1.1 课题研究背景及意义9
• 1.2 MEMS加速度计的国内外研究现状9-19
• 1.2.1 加速度计的分类9-10
• 1.2.2 压阻式加速度计10-11
• 1.2.3 电容式加速度计11-16
• 1.2.4 压电式加速度计16-17
• 1.2.5 谐振式加速度计17-19
• 1.3 本文的主要研究内容19-21
• 2 扭摆式加速度计的原理及结构设计21-33
• 2.1 MEMS扭摆式加速度计的数学模型21-23
• 2.2 带应力隔离结构的加速度计23-25
• 2.3 扭摆式电容加速度计的阻尼分析25-26
• 2.3.1 滑模阻尼25-26
• 2.3.2 压膜阻尼26
• 2.4 加速度计的仿真分析26-32
• 2.4.1 仿真平台26-27
• 2.4.2 模态分析27-29
• 2.4.3 谐响应分析29-30
• 2.4.4 静力分析30-31
• 2.4.5 热应力分析31-32
• 2.5 本章小结32-33
• 3 扭摆式电容加速度计的制作及封装33-43
• 3.1 MEMS加速度计的典型工艺33-35
• 3.1.1 基于硅-玻璃键合的体硅工艺33
• 3.1.2 表面加工工艺33-34
• 3.1.3 SOI技术34
• 3.1.4 LIGA技术34-35
• 3.2 扭摆式电容加速度计的工艺流程35-36
• 3.3 加速度计封装36-40
• 3.3.1 加速度计封装结构36-37
• 3.3.2 封装热应力仿真分析37-40
• 3.4 贴片封装实验测试40-41
• 3.5 本章小结41-43
• 4 扭摆式电容加速度计检测电路设计43-61
• 4.1 微弱电容检测前置放大方法43-46
• 4.1.1 单端电荷放大电容检测电路43-44
• 4.1.2 差分电容检测电路44-46
• 4.2 加速度计检测电路总体方案46
• 4.3 载波产生模块46-48
• 4.3.1 载波的选择46-47
• 4.3.2 载波的产生47-48
• 4.4 差分放大模块48-52
• 4.4.1 差分放大电路设计48-50
• 4.4.2 差分放大电路仿真分析50-52
• 4.5 带通滤波电路52-54
• 4.5.1 带通滤波电路设计52-53
• 4.5.2 带通滤波电路仿真分析53-54
• 4.6 移相电路54-56
• 4.6.1 移相电路设计54-55
• 4.6.2 移相电路仿真分析55-56
• 4.7 同步解调模块56-58
• 4.8 低通滤波模块58-59
• 4.8.1 低通滤波电路设计58-59
• 4.8.2 低通滤波电路仿真分析59
• 4.9 本章小结59-61
• 5 扭摆式电容加速度计系统测试61-71
• 5.1 原理样机61
• 5.2 电路实验测试61-66
• 5.2.1 差分放大模块61-62
• 5.2.2 带通滤波模块62-63
• 5.2.3 移相模块63-64
• 5.2.4 解调模块64
• 5.2.5 低通滤波模块64-66
• 5.3 加速度计芯片温漂对比测试66
• 5.4 加速度计线性度测试66-67
• 5.5 稳定性测试67-68
• 5.6 测量精度68
• 5.7 本章小结68-71
• 6 总结与展望71-73
• 6.1 工作总结71-72
• 6.2 进一步工作展望72-73
• 致谢73-75
• 参考文献75-79
• 附录79
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文79
• B. 作者在攻读硕士学位期间申请的国家发明专利79

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本文编号：775699