高精度大动态范围硅基挠性加速度计研制

摘要

加速度计是惯性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、重力辅助导航等领域有广泛的应用，这些应用对加速度计的噪声水平、动态范围提出了很高的要求。硅材料具有结构稳定、Q值高等优点，是制作高精度加速度的理想材料之一，但常规 MEMS加速度计追求质量、体积小型化，因此机械热噪声大，应用范围一般为低精度领域；传统的挠性结构加速度计技术成熟，应用领域广。本论文将硅基材料的稳定性与挠性加速度计技术成熟的优点结合，以地球重力场精密测量为应用目标，研发量程大于1g，分辨率达到ng水平的硅基挠性加速度计。
　　首先对硅基挠性加速度计的表头结构进行优化设计。为增大检验质量，采用大深宽比的深硅刻蚀；为了降低固有频率，引入了串联弹簧设计；为了增大非敏感方向刚度，引入框架结构；为了减小弹簧和框架对结构量程的影响，进行了弹簧间隙不等宽度设计；为了提高结构过载能力，引入过载保护设计。通过仿真分析，弹簧-振子结构固有频率约为15Hz，大气下机械热噪声约为1ng/√Hz，量程为±2.4g。为了提高电容位移检测动态范围，进行了阵列电容极板和单电容极板组合输出设计，阵列电容极板设计灵敏度62pF/g，实现小测量范围内高精度测量，左右阵列极板交替输出避开输出拐点；单电容极板设计灵敏度0.45pF/g，实现整个测量范围内的粗测量，阵列电容极板和单电容极板组合输出达到增大测量动态范围的目的，最后进行了磁力反馈设计。
　　接着对加速度计表头加工工艺进行摸索。为了实现电容极板组合输出、磁力反馈控制、密封封装等功能，加速度计的结构由三个金属层、两个绝缘层和一个体硅结构组成，其加工过程包含125个串联的工艺步骤骤。首先针对光刻、镀膜、深硅刻蚀等单层工艺进行研究，再对串联加工时出现的工艺稳定性、兼容性问题进行研究和优化，针对 PSPI稳定性问题设计了梯度升温退火工艺；针对剥离残余物问题引入了双层胶剥离工艺；针对深硅刻蚀残余物问题设计了与 PSPI兼容地氧灰化、有机清洗组合工艺；针对SiO2稳定性、导通性问题设计了Cr保护、检测层等，最终成功实现了硅基挠性加速度计表头的加工。
　　最后对加速度计进行测试，并对测试结果中暴露的问题进行研究和优化。为测试加速度计，制作了高精度电容位移检测电路、设计装夹夹具、搭建测试平台。通过光学、电学、倾斜法标定等测试验证了加速度计能正常工作，但阵列电容极板标定灵敏度低于设计值约两个量级，单电容极板输出线性度很差。通过对加速度计阵列电容传感进行原理研究、仿真分析和实验验证，确定了极板间距、寄生电容、电容边缘效应三个影响灵敏度的因素，提出了利用较厚的PSPI做介质减小寄生电容、设计加速度计倒置工作模式减小极板间距和电容边缘效应的结构、工艺改进方案。改进的硅基挠性加速度计阵列电容极板测试灵敏度达到55pF/g，单电容极板灵敏度0.4pF/g，与设计值在误差范围内吻合。通过实验测试，开环加速度计的静态本底噪声为86 ng/√Hz@0.1Hz，25ng/√Hz@1Hz。通过振动台测试，加速度计量程为±1.4g。同时对单电容极板输出线性度问题进行优化，并实现硅基挠性加速度计反馈控制功能。
　　本课题完成了高精度大动态范围硅基挠性加速度计结构设计、工艺研究、加工测试，灵敏度优化，初步实现高精度大动态范围的加速度检测目标。

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1 引言

1.1 课题背景

1.2 硅基MEMS加速度计介绍

1.3 本论文主要研究内容

2 硅基挠性加速度计设计

2.1 弹簧-振子结构设计

2.2 弹簧-振子结构参数优化设计

2.3 电容位移传感与反馈控制设计

2.4 整体设计及版图布局

2.5 小结

3 硅基挠性加速度计加工工艺研究

3.1 硅基挠性加速度计工艺流程设计

3.2 典型单层工艺摸索

3.3 工艺兼容性、稳定性研究

3.4 硅基挠性加速度计加工结果

3.5 小结

4 硅基挠性加速度计测试

4.1 弹簧-振子结构机械性能测试

4.2 硅基挠性加速度计电学性能测量

4.3 加速度计开环检测功能初步实现

4.4 小结

5 硅基挠性加速度计改进与测试

5.1 阵列电容极板位移传感灵敏度影响因素和解决方案

5.2 单电容极板输出“奇异点”问题及其解决方案

5.3 优化后的硅基挠性加速度计检测

5.4 反馈控制功能测试

5.5 小结

6 总结和展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利

附录2 硅基挠性加速度计各层版图

附录3 工艺清单