高精度、大动态范围MEMS加速度计探头研制

摘要

地球是人类的家园,地球的性质和变化,对人类有着巨大的影响.然而,要直接观察地球的内部结构及其变化并不现实,通过测量它产生的重力场来反演判断地球内部状况是人们的通常选择.加速度计是这些测量系统的核心部件之一,在地质勘查、矿产与油气田资源勘探和重力辅助导航、地震检波等领域有广泛的应用.通过对弹簧-振了膜片的结构设计与仿真分析，设计出一种机械噪声优于0.4ng/√Hz，量程大于2g，非敏感轴频率与敏感轴频率比值大于6.2:1的弹簧-振子结构形式。通过弹簧间隙不等宽度设计来最大限度增大量程;通过保护机构设计对运动部件进行超量程保护。弹簧-振了膜片的ICP刻蚀后的机械结构测试结果验证了其频率、Q值均与设计一致。弹簧-振了膜片表面还包含丰富的功能层，共计两个绝缘层、两个金属层，用于实现电容传感、反馈控制、封装、与上盖膜片的电导通、静电屏蔽、电绝缘等功能。其层次的复杂性使得在进行组合加工时，加工工艺兼容性变得非常重要。通过一系列的工艺优化和探索，所有功能层都能比较兼容地制作上去，其电学导通性、电阻测量符合要求。这种设计的高精度、大动态范围的MEMS加速度计避开了传统MEMS加速度计难以实现高精度的缺点，其研制具有重大的应用价值。