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与其他类型加速度传感器相比,MEMS谐振式硅微加速度传感器具有灵敏度高、功耗低、精度高、动态范围广、准数字量输出等诸多优点,在航空航天、工业控制、消费电子以及军事国防领域有着广泛的应用前景。本论文针对谐振式加速度传感器目前存在的检测灵敏度偏低、输出稳定性差等瓶颈问题,围绕传感器的结构设计、加工工艺、检测电路等开展研究,对提高谐振式加速度传感器综合性能具有重要意义和实际价值。
本论文通过分析加速度传感器的敏感机理,提出一种采用电磁激励的高灵敏度谐振式加速度传感器结构。传感器由A、B两种差分结构组成,在两种结构中均设计了由不同厚度的“H”型谐振梁、支撑梁和质量块组成的敏感检测装置。利用有限元分析软件ANSYS进行了仿真,分析了影响谐振器谐振频率和传感器灵敏度的影响因素,获得了优化参数。传感器仿真差分检测灵敏度为1416Hz/g。
根据所提出的不等厚复杂结构,以SOI硅片为制作材料,提出了一种采用光刻胶和金属铝为复合掩膜的MEMS工艺方案,利用两步ICP干法刻蚀实现了硅片背面不等厚度“台阶”结构的制作。使用金属管壳完成了传感器的封装,管座内置两块异极相对的磁铁提供电磁激励需要的磁场。
利用动态信号分析仪进行了传感器谐振器的开环特性测试,设计了由信号放大部分,自动增益控制部分和移相器组成的测试电路,对传感器进行了闭环测试。测试结果显示:A、B结构的“H”型谐振梁在零位的谐振频率分别为76.453kHz和74.987kHz,空气中品质因数均约为430,传感器差分灵敏度达到813Hz/g,短期偏置稳定性为0.642Hz/hr。
以上研究工作为提高谐振式加速度传感器综合性能和工程化奠定了研究基础和实践经验。