基于新型梳狀柵電容結構的微機械慣性傳感器研究.pdf

1、本論文在對傳統(tǒng)柵電容結構的慣性傳感器進行研究的基礎上，提出了一種新型的梳狀柵電容結構，并對基于此結構的加速度計和陀螺進行了研究。具體工作包括：加速度計和陀螺器件的結構設計、制作、接口電路設計、性能測試及性能優(yōu)化等。
　　 (1)與傳統(tǒng)柵電容結構相比，本論文所提的梳狀柵電容結構的柵電極不完全刻穿，而僅需刻蝕數(shù)十微米，有效的提高了加速度計和陀螺的可動質量塊質量，從而使器件的機械靈敏度提高，機械熱噪聲下降。典型設計下，可動質量塊質量可

2、提高54％，使得加速度計和陀螺的機械靈敏度在同樣的尺寸下分別提高54％和92％，機械熱噪聲分別下降35％和48％。另外，新的柵電容結構也使得柵電極的形成和結構的釋放分開，極大的降低了深反應離子刻蝕過程中的凹缺效應和滯后效應對微結構的損傷，提高了器件的加工質量以及成品率。
　　 (2)建立了靜電驅動的框架式柵電容陀螺的機械靈敏度分析模型，分析發(fā)現(xiàn)，在芯片面積和驅動電壓一定的條件下，當驅動外框與檢測質量塊的面積相等時，可以使得器件的

3、機械靈敏度達到最大，從而實現(xiàn)了對陀螺性能的優(yōu)化。針對深反應離子刻蝕過程中的滯后效應、凹缺效應和厚膠的邊緣效應造成的彈性梁尺寸誤差，提出了陀螺的驅動和檢測彈性梁、驅動和檢測柵電極的等寬和低深寬比設計原則，從而使尺寸誤差和工藝離散性造成的陀螺頻率匹配偏差降到最低。對陀螺原型器件的實際測試表明：同批次陀螺諧振頻率的標準差相較改進前降低了79％以上；工藝離散性導致同批次陀螺的諧振頻率最大相差132Hz，但陀螺驅動模態(tài)和檢測模態(tài)的頻率差的均值為7

4、.5Hz，與設計值6Hz接近，標準差為16.5Hz，保持了頻率匹配。
　　 (3)對加速度計和陀螺的實際測試表明，采用單端輸入一雙端差分輸出結構的電容檢測電路，可抵消雙端輸出中相關性較高的共模噪聲，電容檢測信號經(jīng)過差分放大后實測的信噪比提高了約13dB。對加速度計和陀螺的噪聲進行了建模分析，分析結果均與加速度計和陀螺實測的噪聲基底在同一數(shù)量級上。在根據(jù)噪聲模型分析結果對微機械陀螺的性能進行了優(yōu)化，實測的陀螺在1Hz處的噪聲基底從

5、0.023°/s/√Hz降低到0.0079°/s/√Hz
　　 由于加速度計和陀螺均采用變面積電容檢測法線性敏感位移變化，兩者都獲得了很高的線性度：實測加速度計在±1g內(nèi)的線性度為99.997％，±30g內(nèi)的線性擬合曲線的二次項和一次項系數(shù)比159ppm；陀螺在±43°/s內(nèi)的線性度為99.995％，±200°/s內(nèi)的線性擬合曲線的二次項和一次項系數(shù)比為203ppm。加速度計和陀螺的工作阻尼主要是滑膜阻尼，這使得器件在大氣壓下也