MEMS陀螺芯片的晶圆级真空封装

微机电系统(MEMS)陀螺需要真空封装以确保其检测精度,晶圆级真空封装可以使MEMS微结构避免芯片切割过程中的粘连以及颗粒污染,提高芯片的成品率.为实现MEMS陀螺芯片的晶圆级真空封装,提出了一种全硅MEMS陀螺芯片的晶圆级真空封装结构方案,并突破了Si-SiO2直接键合、吸气剂制备、金—硅(Au-Si)键合等关键技术...     

用于器件级真空封装的MEMS加速度传感器的设计与制作

设计了一种可用于器件级真空封装的三明治电容式MEMS加速度传感器.该传感器被设计为四层硅结构,其中上下两层为固定电极,中间两层为硅-硅直接键合的双面梁-质量块结构的可动电极.利用自停止腐蚀工艺在中间质量块键合层上腐蚀出2个深入腔内的V型抽气槽,使得MEMS器件在后续的封装中能够实现内部真空.为防止V型抽气槽在划片中被水或硅渣堵塞,采用双面划片工艺.划片后,器件的总尺寸为6.8mm ×5.6mm ×1.72 mm,其中,敏感质量块尺寸为3.2mm×3.2mm ×0.86mm,检测电容间隙2.1 μm.对器件级真空封装后的MEMS加速度传感器进行了初步测试,结果表明:制作的传感器的谐振频率为861 Hz,品质因数Q为76,灵敏度为1.53 V/gn,C-V特性正常,氦气细漏＜1×10-9 atm-cm3/s,粗漏无气泡.     

基于模糊控制的MEMS陀螺仪数字驱动闭环设计

提出了基于模糊控制的微机电系统(MEMS)陀螺驱动闭环设计的方法,介绍该方法在MEMS陀螺驱动模态的应用,并在现场可编程门阵列(FPGA)平台上实现。模糊控制属于智能控制的一种,具有很强的鲁棒性、稳定性和非线性系统的控制能力。主要在于基于模糊控制的MEMS陀螺数字驱动闭环的方法,将陀螺驱动信号在FPGA的内部处理。由坐标旋转数字计算机(CORDIC)算法产生驱动及解调正弦波信号,驱动模态位移信号经过解调和低通滤波后,再由模糊控制对幅值进行恒定控制。实验结果表明:该设计方法能够使MEMS陀螺仪稳定工作在谐振状态下,幅值基本保持恒定,数字驱动闭环的响应信号幅值抖动精度可达到51×10~(-6)。     

基于厚度剪切振动的压电圆盘微陀螺的制作和分析

基于面内振动模态工作的圆盘陀螺在利用压电方式驱动和检测时,需要在圆盘振动体侧壁上加工压电换能器,很难由MEMS工艺实现.为实现压电圆盘陀螺的小型化,设计制作了一种直接由压电材料作为振动体,基于厚度剪切振动模态工作的新型压电圆盘微陀螺.厚度剪切振动模态使得陀螺可以通过在压电基片上下表面制作金属电极的MEMS工艺进行加工.通过对加工出的陀螺器件进行阻抗分析发现加工出的陀螺具有良好的对称性,基于阻抗分析得到的品质因数通过有限元分析可知,陀螺可实现高灵敏度、低非线性度、大量程、低角速度耦合误差等性能.     

嵌套环式MEMS陀螺频率裂解与品质因数研究

频率裂解和品质因数是制约MEMS陀螺准确度的关键因素。本文以嵌套环式MEMS陀螺为研究对象，以降低频率裂解与提高品质因数为目的，开展频率裂解与品质因数仿真研究。针对频率裂解问题，提出一种转轴偏心修调方法，建立ANSYS模态分析仿真模型，解析转轴偏心参数对模态振型的影响机制，明确频率裂解变化规律；针对品质因数问题，聚焦空气阻尼及热弹性阻尼损耗的影响机理，明确低压强、多谐振环数、薄谐振环、小锚点会有效提高陀螺品质因数。此外，对比仿真与Zener理论模型，说明仿真模型有效性。以上研究有效揭示嵌套环式MEMS陀螺频率裂解和品质因数的变化规律，为MEMS陀螺准确度的提高提供研究基础。     

低热机械噪声MEMS加速度计设计

介绍了一种能够在大气条件下具备低噪声、高灵敏度特性的MEMS加速度计设计、制作与测试.器件采用梳齿电容检测方法,利用MEMS体硅加工工艺,实现了210对梳齿的加速度计制作.该加速度计不需要真空封装和阻尼孔就能实现低热机械噪声特性,其理论热机械噪声为0.018μg/√Hz.加速度计芯片在大气封装和无阻尼孔情况下Q值高达4...     

基于近似模型的y轴微机械陀螺系统级优化

提出一种基于近似模型的MEMS系统级优化方法,给出具体实现流程,并结合一个y轴微机械陀螺进行优化。该方法解决了如何得到近似优化目标函数表达式的关键问题。所得的y轴微机械陀螺优化参数,使得陀螺驱动模态谐振频率fx和检测模态谐振频率fz分别为3 074 Hz和2 998 Hz,两者之间相差7 6 Hz,较好的实现了模态匹配,且都在3 000 Hz的设计要求附近,约束条件也得到了满足。该优化方法为在MEMS设计中快速获得系统级优化方案提供较好参考。     

硅微陀螺模态频率温度特性的研究

硅微机械陀螺的零位输出受温度影响较大,为提高精度,对其进行温度误差补偿很有必要,而陀螺表头真空封装后内部温度难以直接测量.通过研究模态频率与温度之间的关系,发现驱动轴谐振频率与温度之间存在很好的线性相关性,同时具有很好的温度重复性.由于谐振频率的精度很高,所以用谐振频率测量温度会有很好的分辨率.因此,可以利用驱动模态的谐振频率来标定陀螺表头内部的温度,为下一步的温度补偿提供新的方法.     

MEMS器件真空封装模型模拟

结合典型的MEMS器件真空封装工艺,应用真空物理的相关理论,建立了MEMS器件真空封装的数学物理模型,确定了其数值模拟算法。据此,对一封装示例进行了计算,获得了真空回流炉内干燥箱及密封腔体真空度的变化情况,实现了MEMS器件真空封装工艺过程的参数化建模与模拟。     

一种Z轴微机械陀螺的自解耦方法研究

在分析了微机械陀螺机械耦合误差产生原因的基础上,提出了一种解耦梁方案,可以从结构上消除振动式微机械陀螺敏感模态对驱动模态的耦合影响;基于该解耦梁方案设计了一种新型的Z轴微机械陀螺结构.分析表明,该陀螺结构消除了敏感模态对驱动模态的耦合影响,实现了解耦设计的目的.     

真空封装MEMS陀螺高温老化失效机理研究

为了快速掌握真空封装MEMS陀螺老化失效机理,陀螺进行125℃高温加速实验,并对不同时间节点下的陀螺关键性能进行参数提取。分析结果表明,由于高温老化导致MEMS陀螺内部材料放气、疲劳和应力释放,从而改变品质因子和初始检测电容,最终导致陀螺的零偏、角随机游走系数、零偏稳定性、标度因子等关键性能的严重退化。在工程实际中有一定的参考价值。     

微机械陀螺封装应力研究

针对设计的微机械陀螺开展了封装应力影响的研究.在对陀螺封装影响进行理论计算分析的基础上,进行了有限元仿真分析,并分析了温度变化引起的不同结构梁的谐振频率的变化,结果表明:在封装应力的影响下,陀螺的谐振频率与温度存在线性关系,不同梁结构的线性增减是不同的,基底材料和粘胶的热膨胀系数与杨氏模量是影响谐振频率变化的因素.     

虚拟陀螺技术研究

提出了一种基于阵列数据融合的虚拟陀螺技术来提高微机械陀螺的精度.其将多个同类型的陀螺组合形成阵列.采用Allan方差方法提取微机械陀螺的速率随机游走、角度随机游走等噪声,并利用阵列陀螺间同类噪声的相关性建立卡尔曼滤波器的系统噪声方差阵及量测噪声方差阵,设计实现了静态和动态两种最优滤波器对陀螺的输出进行最优估计.实验结果显示:三个偏置稳定性为35 deg/hr的微陀螺经静态、动态滤波后,所形成的虚拟陀螺偏置稳定性分别降至0.15 deg/hr和20deg/hr,表明该虚拟陀螺技术可有效提高微机械陀螺的精度.     

基于卡尔曼滤波算法的MEMS陀螺仪误差补偿研究

为了补偿MEMS陀螺仪的漂移误差,本文采用了一种新的卡尔曼滤波算法。文中对MPU3050陀螺仪进行分析,提出其漂移模型。通过分析陀螺仪的误差,建立陀螺仪的误差模型。卡尔曼滤波的效果通过阿伦方差进行评估,与其他滤波算法比较,在MEMS陀螺仪中采用卡尔曼滤波算法可以有效的减少SCM（单片机）计算,并在转台上对陀螺仪进行测试。实验结果表明,结合误差模型和卡尔曼滤波算法可有有效的减少陀螺仪的漂移误差。     

Reliability of MEMS packaging: vacuum maintenance and packaging induced stress

In this study, the dominant reliability issues of MEMS packaging that include vacuum maintenance and packaging induced stress, are discussed, and design considerations to improve the reliability are presented. The MEMS vibratory gyroscope sensor is fabricated with anodically bonded wafer level vacuum packaging followed by die-bonding and wire-bonding processes. The epoxy-molding compound (EMC) is applied to encapsulate the gyroscope sensor. Several methods to improve reliability of the vacuum packaging are suggested based on extensive work. The two major failure mechanisms of anodic vacuum packaging, namely leakage and outgassing are investigated. Leakage is effectively reduced by optimization of the bonding process. Outgassing inside the cavity can be minimized by application of Ti coating. Packaging induced stress is mainly caused by thermal expansion mismatch among the materials used to fabricate the package. During anodic bonding, thermo-mechanical stress is generated to the bonded wafer, which increases with temperature. The EMC encapsulation also produces package-induced stress. In order to increase robustness of the structure against deformation, a crab-leg type spring is replaced with a semi-folded spring. The results show that the frequency shift is greatly reduced after applying the semi-folded spring.     

多通道光纤陀螺测试系统研究

本文介绍了一种基于多通道检测的光纤陀螺系统测试方案，给出了系统的硬件环境设计思想及测控软件的实现技术和方法，可实现光纤陀螺及其相关光电器件的综合检测，以提高光纤陀螺的测试效率，为光纤陀螺工程化服务。     

一种微惯性测量单元标定补偿方法

在介绍微惯性测量单元组成与结构的基础上,根据MEMS惯性器件的输出特性,建立了微惯性测量单元中加速度计和陀螺仪的数学标定模型,提出并推导了一种适用于微惯性测量单元的标定方法,该方法可以得到微惯性测量单元中惯性传感器的零位、标度因数、安装误差系数及g值敏感项等33个参数;然后,具体介绍了通过加速度计重力场静态翻滚试验和陀螺仪恒角速率试验对MIMU中参数标定的方法和步骤,并对实验室自研的MIMU进行了标定;最后利用得到的标定参数对测试结果进行了误差分析与补偿;实验结果表明,该方法使MIMU的测量精度提高了1～2个数量级,能够满足姿态解算及导航计算的精度要求。     

一种具有广泛适应性的微机械加工方法研究

研究了一种具有广泛适应性的微机械制造方法,该方法可用于制备各种不同的器件,包括硅微陀螺仪、加速度计、剪切应力传感器以及光开关等.利用该方法,制备了硅微陀螺仪,并给出了所制备的硅微陀螺仪的性能测试结果,同时分析了利用该制备方法制备各种不同器件时,工艺流程对器件性能的影响,重点讨论了硅-玻璃阳极键合、减薄工艺以及深刻蚀所形成的侧壁质量,包括侧壁垂直度、侧壁杂质等因素对器件性能的影响.     

Design,fabrication and characterization of a low-noise Z-axis micromachined gyroscope

This paper presents the design, fabrication and characterization of a low-noise Z-axis micromachined gyroscope. A triple-mass scheme is adopted to obtain a decoupled mode and matched vibration structure. The gyroscope was fabricated based on a 30-μm silicon on insulator wafer. A DRIE, lag-effect-based, dicing-free process was used to easily and rapidly create the gyroscope devices without requiring normal dicing. The fabricated gyroscopes were vacuum packaged (pressure of approximately 2,000 Pa) and tested. The measured power spectral density of the noises is as low as 17.5 μV/√Hz, and the resolution of the fabricated gyroscope is 7.1 × 10–4°/s/√Hz (2.52°/h/√Hz).     

Getter free vacuum packaging for MEMS

Quite a few MEMS devices such as accelerators, gyroscopes, infrared sensors need to work in vacuum environment to enhance their performance. The traditional vacuum packaging methods use getters to increase vacuum maintaining lifetime. However, the getter's characteristics of high temperature activation, powder pollution, large package size limit its use in MEMS vacuum packaging. This study analyzes the factors that influence the vacuum level, and derived a relationship between the balanced vacuum level, the effective leak rate, and vacuum maintaining lifetime. A novel vacuum package design with vacuum buffer cavity was proposed, the vacuum maintaining lifetime could be increased at least 20 times as compared to the ordinary package with the same volume. Reliability experiments were conducted so as to verify that the new package design can achieve reliable vacuum packaging without getters to meet the requirements of device applications for vacuum with about 0.1 Pa in pressure level. This unique package design also provided a complementary way to work with getters to enhance the vacuum package performance and reliability of hermeticity.