基于新型梳状栅电容结构的微机械惯性传感器研究

论文摘要

本论文在对传统栅电容结构的惯性传感器进行研究的基础上,提出了一种新型的梳状栅电容结构,并对基于此结构的加速度计和陀螺进行了研究。具体工作包括:加速度计和陀螺器件的结构设计、制作、接口电路设计、性能测试及性能优化等。（1）与传统栅电容结构相比,本论文所提的梳状栅电容结构的栅电极不完全刻穿,而仅需刻蚀数十微米,有效的提高了加速度计和陀螺的可动质量块质量,从而使器件的机械灵敏度提高,机械热噪声下降。典型设计下,可动质量块质量可提高54%,使得加速度计和陀螺的机械灵敏度在同样的尺寸下分别提高54%和92%,机械热噪声分别下降35%和48%。另外,新的栅电容结构也使得栅电极的形成和结构的释放分开,极大的降低了深反应离子刻蚀过程中的凹缺效应和滞后效应对微结构的损伤,提高了器件的加工质量以及成品率。（2）建立了静电驱动的框架式栅电容陀螺的机械灵敏度分析模型,分析发现,在芯片面积和驱动电压一定的条件下,当驱动外框与检测质量块的面积相等时,可以使得器件的机械灵敏度达到最大,从而实现了对陀螺性能的优化。针对深反应离子刻蚀过程中的滞后效应、凹缺效应和厚胶的边缘效应造成的弹性梁尺寸误差,提出了陀螺的驱动和检测弹性梁、驱动和检测栅电极的等宽和低深宽比设计原则,从而使尺寸误差和工艺离散性造成的陀螺频率匹配偏差降到最低。对陀螺原型器件的实际测试表明:同批次陀螺谐振频率的标准差相较改进前降低了79%以上;工艺离散性导致同批次陀螺的谐振频率最大相差132Hz,但陀螺驱动模态和检测模态的频率差的均值为7.5Hz,与设计值6Hz接近,标准差为16.5Hz,保持了频率匹配。（3）对加速度计和陀螺的实际测试表明,采用单端输入-双端差分输出结构的电容检测电路,可抵消双端输出中相关性较高的共模噪声,电容检测信号经过差分放大后实测的信噪比提高了约13dB。对加速度计和陀螺的噪声进行了建模分析,分析结果均与加速度计和陀螺实测的噪声基底在同一数量级上。在根据噪声模型分析结果对微机械陀螺的性能进行了优化,实测的陀螺在1Hz处的噪声基底从0.023°/s/（?）降低到0.0079°/s/（?）。由于加速度计和陀螺均采用变面积电容检测法线性敏感位移变化,两者都获得了很高的线性度:实测加速度计在±1g内的线性度为99.997%,±30g内的线性拟合曲线的二次项和一次项系数比159ppm;陀螺在±43°/s内的线性度为99.995%,±200°/s内的线性拟合曲线的二次项和一次项系数比为203ppm。加速度计和陀螺的工作阻尼主要是滑膜阻尼,这使得器件在大气压下也获得了较小的阻尼系数和较高的品质因子,新型的梳状栅电容结构又使得器件获得了更大的可动质量块质量,因此加速度计和陀螺在大气下均实现了高性能:加速度计的偏置稳定性为0.3mg,白噪声基底为0.348mg/（?）,动态范围为±30g;陀螺的偏置稳定性为21.6°/h,1Hz处的噪声等效角速度优于0.01°/s/（?）。陀螺的线性度、偏置稳定性以及噪声基底等指标,比近年来文献中报道的大气压下工作的微机械陀螺要好。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 惯性传感器工作原理及综述
• 1.1 惯性传感器简介
• 1.2 惯性传感器的工作原理
• 1.2.1 加速度计的工作原理
• 1.2.2 振动式陀螺的工作原理
• 1.3 惯性传感器的发展现状
• 1.3.1 制造工艺
• 1.3.2 检测机理
• 1.3.3 致动方式
• 1.3.4 电容检测微机械加速度计
• 1.3.5 静电驱动电容检测陀螺
• 1.4 电容检测
• 1.4.1 变间距与变面积检测
• 1.4.2 差分电容检测结构
• 1.4.3 栅差分电容结构
• 1.5 静电致动
• 1.5.1 推挽驱动
• 1.5.2 静电负弹簧效应与静电吸合
• 1.6 研究动因和工作内容
• 1.6.1 研究动因
• 1.6.2 工作内容
• 2 加速度计和陀螺的结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 新型的梳状栅电容结构
• 2.2.1 电容—位移灵敏度
• 2.2.2 可动质量块
• 2.2.3 机械灵敏度
• 2.2.4 机械热噪声
• 2.3 弹性梁与系统阻尼
• 2.3.1 弹性梁
• 2.3.2 系统阻尼
• 2.4 加速度计的结构设计
• 2.4.1 设计考量
• 2.4.2 尺寸参数
• 2.4.3 设计参数
• 2.4.4 仿真验证
• 2.5 陀螺的结构设计
• 2.5.1 设计考量
• 2.5.2 设计优化
• 2.5.3 尺寸参数
• 2.5.4 设计参数
• 2.5.5 法向静电力的影响
• 2.5.6 正交误差和科氏零偏
• 2.5.7 仿真验证
• 2.6 小结
• 3 工艺设计及分析
• 3.1 引言
• 3.2 深反应离子刻蚀
• 3.2.1 滞后效应（Lag effect）
• 3.2.2 凹缺效应（Notching effect）
• 3.3 对基于传统栅电容结构的器件的研究
• 3.4 传统与梳状栅电容结构的工艺流程研究
• 3.4.1 传统栅电容结构的工艺流程
• 3.4.2 梳状栅电容结构的工艺流程
• 3.4.3 改进前后器件加工对比
• 3.5 工艺误差分析
• 3.5.1 误差来源
• 3.5.2 误差影响分析
• 3.6 小结
• 4 加速度计的性能测试与分析
• 4.1 幅频特性测试
• 4.1.1 幅频特性测试电路
• 4.1.2 加速度计的幅频特性
• 4.2 线性度测试
• 4.2.1 单端输入—双端差分输出结构的CV电路
• 4.2.2 线性度测试
• 4.3 零偏稳定性测试
• 4.4 加速度计中的噪声分析
• 4.5 小结
• 5 数字陀螺的性能测试与分析
• 5.1 数字平台硬件介绍
• 5.2 数字陀螺系统简介
• 5.2.1 自激环路
• 5.2.2 检测链路
• 5.3 数字陀螺的测试
• 5.3.1 幅频特性测试
• 5.3.2 功能结果测试
• 5.3.3 正交误差和科氏零偏
• 5.3.4 线性度测试
• 5.3.5 零偏稳定性测试
• 5.3.6 噪声基底测试
• 5.4 陀螺的性能分析与优化
• 5.4.1 陀螺的性能分析
• 5.4.2 陀螺性能的优化
• 5.4.3 陀螺的性能小结
• 5.5 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 博士期间所发表的文章
• 参考文献