单片集成的高性能压阻式三轴高g加速度计的设计、制造和测试

设计、制造并测试了一种单片集成的压阻式高性能三轴高g加速度计,量程可达105g.x和y轴单元均采用一种带微梁的三梁-质量块结构,z轴单元采用三梁-双岛结构.与传统的单悬臂梁结构或者悬臂梁-质量块结构相比,这两种结构均同时具有高灵敏度和高谐振频率的优点.采用ANSYS软件进行了结构分析和优化设计.中间结构层主要制作工艺包括压阻集成工艺和双面Deep ICP刻蚀,并与玻璃衬底阳极键合和上层盖板BCB键合形成可以塑封的三层结构,从而提高加速度计的可靠性.封装以后的加速度计采用落杆方法进行测试,三轴灵敏度分别为2.28,2.36和2.52 μV/g,谐振频率分别为309,302和156 kHz.利用东菱冲击试验台,采用比较校准法测得y轴和z轴加速度计的非线性度分别为1.4%和1.8%.     

单片集成的高性能压阻式三轴高g加速度计的设计、制造和测试

设计、制造并测试了一种单片集成的压阻式高性能三轴高g加速度计,量程可达105g.x和y轴单元均采用一种带微梁的三梁-质量块结构,z轴单元采用三梁-双岛结构.与传统的单悬臂梁结构或者悬臂梁-质量块结构相比,这两种结构均同时具有高灵敏度和高谐振频率的优点.采用ANSYS软件进行了结构分析和优化设计.中间结构层主要制作工艺包括压阻集成工艺和双面Deep ICP刻蚀,并与玻璃衬底阳极键合和上层盖板BCB键合形成可以塑封的三层结构,从而提高加速度计的可靠性.封装以后的加速度计采用落杆方法进行测试,三轴灵敏度分别为2.28,2.36和2.52 μV/g,谐振频率分别为309,302和156 kHz.利用东菱冲击试验台,采用比较校准法测得y轴和z轴加速度计的非线性度分别为1.4%和1.8%.     

各向异性湿法刻蚀z切石英后结构侧壁形貌的预测

基于石英晶体各晶面的湿法刻蚀速率,研究了石英微结构侧壁形貌的预测方法,讨论了各向异性湿法刻蚀石英的规律.首先,总结了石英各主要晶面的相对刻蚀速率,分别绘制了x、y族刻蚀速率矢量图.然后,在掩模层的边缘处,通过绘制相应的晶面刻蚀速率矢量图,得到各速率矢量的晶面线,晶面线所围成的最小轮廓即是石英微结构的刻蚀形貌.最后,利用该方法预测了x向和y向石英梁的侧壁形貌.在70℃的氢氟酸和氟化铵混合溶液内刻蚀5h,制作了厚度均为500μm的x向和y向两种石英微梁.结果显示,y向梁的-x向侧壁有一均匀整齐的晶棱,棱高210 μm,而+z向侧壁平滑.x向梁的侧壁均有晶棱,+y向晶棱较大,棱高为450 μm,-y向晶棱棱高为240 μm.所制作梁的侧壁形貌与预测结论基本吻合,验证了预测方法的正确性.基于该方法可在石英微结构的设计阶段,通过引入工艺因素对微结构进行优化.     

一种具有隔振框架的解耦硅微陀螺

提出了一种利用隔振框架解耦的硅微陀螺,其驱动模态和检测模态不仅有各自独立的支撑结构,还有各自独屯的惯性质量块,隔振框架隔离了驱动结构和检测结构,减小了模态之间的交叉耦合;利用TMAH湿法腐蚀结合深反应离子刻蚀工艺,在n型<100>低阻硅片上制作出了微陀螺样片,并为其研制了配套的测控电路;测试结果表明,驱动模态频率为2.981kHz,品质因子为800,检测模态频率为2.813kHz,品质因子为34,刻度因子为38mV/(°/s),线性度优于0.8%,微陀螺在0.5h内的零偏稳定度为0.28°/s.     

三轴高g加速度计的测试方法及实验研究

研究了高g加速度计的校准测试方法,并针对一种量程为105gn的三轴高g加速度计,测试标定了其主要性能参数。分别利用自由落杆绝对法和比较法测试了三轴高g加速度计的灵敏度;分析了影响交叉轴灵敏度测试的两种影响因素,进而分别指出了解决方法,并测试了其交叉轴灵敏度;通过提取叠加在主波上的锯齿波波形,测试出其谐振频率;最后利用东菱冲击机标定了三轴高g加速度计的非线性度。     

一种具有隔振框架的解耦硅微陀螺

提出了一种利用隔振框架解耦的硅微陀螺,其驱动模态和检测模态不仅有各自独立的支撑结构,还有各自独立的惯性质量块,隔振框架隔离了驱动结构和检测结构,减小了模态之间的交叉耦合;利用TMAH湿法腐蚀结合深反应离子刻蚀工艺,在n型〈100〉低阻硅片上制作出了微陀螺样片,并为其研制了配套的测控电路;测试结果表明,驱动模态频率为2.981kHz,品质因子为800,检测模态频率为2.813kHz,品质因子为34,刻度因子为38mV/(°/s),线性度优于0.8%,微陀螺在0.5h内的零偏稳定度为0.28°/s.     

TMAH溶液中的(110)硅各向异性湿法腐蚀及其在不同添加剂下的腐蚀特性研究

研究了TMAH溶液中(110)硅片在不同几何形状掩膜窗口下的各向异性湿法腐蚀行为,探讨了(110)硅在TMAH与不同添加剂(过硫酸铵、异丙醇等)构成的腐蚀系统下的腐蚀特性.利用场发射扫描电子显微镜(SEM)观测(110)硅的腐蚀坑腔结构,利用扫描探针显微镜(SPM)测量(110)硅腐蚀的表面粗糙度.结果表明:(110)...     

一种避免静电黏附失效的低应力阳极键合技术

基于阳极键合过程中的静电吸合效应,提出了一种可避免静电黏附失效的低应力阳极键合技术.采用湿法腐蚀技术制作了梯形截面的硅梁结构和对应的Pyrex玻璃基底,理论分析了该结构的静电吸合电压并进行了实验验证.采用铝/铬作为玻璃基底的电极层,铬作为中间层,从而阻止阳极键合发生.由于在键合过程中形成的铬氧化物为导体,所以硅与玻璃之间的静电场消失,从而阻止了玻璃中的O2-等负离子向硅移动,避免了静电黏附失效;采用Al作为主要电极层,可以保证电极的电学特性.采用了逐步升压法,首先在200 V低电压条件下进行预键合,使结合面具有一定的连接强度,然后再提升键合电压至400 V进行强化键合,在充分保证键合强度的前提下,静电力作用下的结构变形仅为400 V恒压模式下的1/4,减小了静电力对键合结构产生的影响,有效改善了键合过程中产生的残余应力.     

石英微陀螺的驱动控制方法研究

基于相位控制技术设计了石英微陀螺驱动轴的谐振环路,使其产生驱动模态振动。通过提取系统信号幅值的方法,设计了基于速度幅值的控制器,使微陀螺驱动轴的振动幅值保持恒定。建立了Matlab Simulink 模型,仿真结果与所设计的谐振环路和幅值控制系统的驱动控制效果一致。试制了石英微陀螺的驱动控制电路,驱动电路的测试结果表明:谐振环路振荡频率与驱动模态频率非常接近,稳幅控制器使得驱动轴迅速起振,并在0. 5 s 内稳定,谐振频率下的幅值高于噪声85 dB,振动幅值稳定性有显著改善。     

测试压阻式三轴高g加速度计的霍普金森杆法

研究了一种压阻式三轴高g加速度计的霍普金森杆法测试实验及其数据处理方法。被测加速度计安装于标定杆的端部,从高压气舱中射出的子弹高速撞击标定杆,所产生的冲击以应力波的形式在标定杆中传播,并可以通过安装在杆中部的应变计记录。通过比较应变计的输出和加速度计输出的积分,可以计算得出被测加速度计的灵敏度。利用这种标定方法,测试了一种压阻式单片集成三轴高g加速度计的Z轴单元和X轴单元的灵敏度,测试结果分别为(2.18 μV/g)/5 V和(2.15 μV/g)/5 V。这一测试结果与利用自由落杆测试系统得出的测试结果基本吻合,表明本文所采用的测试系统及实验数据处理方法是可信的。