本文關(guān)鍵詞：低G值扭擺式電容加速度計關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：航空航天、導(dǎo)航與制導(dǎo)等應(yīng)用領(lǐng)域,對加速度計的漂移、測量精度要求越來越高�；诠�-玻璃鍵合和ICP刻蝕的體硅加工工藝,在MEMS器件加工中被普遍采用。但是,由于硅結(jié)構(gòu)和玻璃襯底熱膨脹系數(shù)很難完全匹配,當(dāng)外界溫度變化時,會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,引起加速度計輸出發(fā)生溫度漂移,嚴(yán)重影響加速度計的測量精度。為此,本課題面向姿態(tài)控制等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅艿虶值加速度計的應(yīng)用需求,提出一種帶有應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)的扭擺式電容加速度計結(jié)構(gòu),開展其結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工與封裝、檢測電路、系統(tǒng)測試等研究,對減小加速度計溫漂,提高加速度計測量精度具有重要的意義。本文的主要工作內(nèi)容如下:(1)綜述加速度計的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,闡述各類型加速度計的工作原理并分析其優(yōu)缺點,確定論文的主要內(nèi)容。(2)研究了扭擺式電容加速度計的工作原理,提出了帶有應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)的扭擺式電容加速度計新結(jié)構(gòu),完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計。仿真分析表明:相同條件下,不帶隔離結(jié)構(gòu)的扭擺加速度計其熱應(yīng)力主要集中在扭轉(zhuǎn)梁的末端,其最大應(yīng)力約100Mpa;具有應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)的加速度計,熱應(yīng)力主要集中在緩沖折疊梁上,而扭轉(zhuǎn)梁上的應(yīng)力約為1.7MPa,僅為前者的1.7%。(3)設(shè)計了加速度計工藝流程,并采用硅-玻璃鍵合和ICP刻蝕工藝,完成了加速度計芯片的制作。仿真分析了不同貼片膠條件下,加速度計的熱應(yīng)力分布,結(jié)果表明:進行加速度計貼片工藝時,應(yīng)選擇楊氏模量和熱膨脹系數(shù)較小的貼片膠。搭建測試平臺,測量了在不同貼片條件下,加速度計的輸出隨溫度的變化,驗證了仿真結(jié)果的正確性。(4)研究單端載波調(diào)制、雙路電荷放大的電容檢測方法,設(shè)計了加速度計的外圍檢測電路,對載波產(chǎn)生、差分放大、帶通濾波、移相、解調(diào)和低通濾波六個模塊進行了詳細(xì)設(shè)計和仿真驗證。(5)研制了低G值MEMS加速度計原理樣機,建立了加速度計測試平臺,測試結(jié)果表明:加速度計系統(tǒng)的各個模塊輸出波形與仿真分析相符,加速度計的測量范圍為±1g,靈敏度為2.479V/g,線性度為0.74%,零偏為0.854V,1小時漂移0.4mg,精度為0.86‰。
【關(guān)鍵詞】：加速度計 熱應(yīng)力 應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu) 硅-玻璃鍵合 貼片工藝
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH824.4
【目錄】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 緒論9-21
• 1.1 課題研究背景及意義9
• 1.2 MEMS加速度計的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀9-19
• 1.2.1 加速度計的分類9-10
• 1.2.2 壓阻式加速度計10-11
• 1.2.3 電容式加速度計11-16
• 1.2.4 壓電式加速度計16-17
• 1.2.5 諧振式加速度計17-19
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容19-21
• 2 扭擺式加速度計的原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計21-33
• 2.1 MEMS扭擺式加速度計的數(shù)學(xué)模型21-23
• 2.2 帶應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)的加速度計23-25
• 2.3 扭擺式電容加速度計的阻尼分析25-26
• 2.3.1 滑模阻尼25-26
• 2.3.2 壓膜阻尼26
• 2.4 加速度計的仿真分析26-32
• 2.4.1 仿真平臺26-27
• 2.4.2 模態(tài)分析27-29
• 2.4.3 諧響應(yīng)分析29-30
• 2.4.4 靜力分析30-31
• 2.4.5 熱應(yīng)力分析31-32
• 2.5 本章小結(jié)32-33
• 3 扭擺式電容加速度計的制作及封裝33-43
• 3.1 MEMS加速度計的典型工藝33-35
• 3.1.1 基于硅-玻璃鍵合的體硅工藝33
• 3.1.2 表面加工工藝33-34
• 3.1.3 SOI技術(shù)34
• 3.1.4 LIGA技術(shù)34-35
• 3.2 扭擺式電容加速度計的工藝流程35-36
• 3.3 加速度計封裝36-40
• 3.3.1 加速度計封裝結(jié)構(gòu)36-37
• 3.3.2 封裝熱應(yīng)力仿真分析37-40
• 3.4 貼片封裝實驗測試40-41
• 3.5 本章小結(jié)41-43
• 4 扭擺式電容加速度計檢測電路設(shè)計43-61
• 4.1 微弱電容檢測前置放大方法43-46
• 4.1.1 單端電荷放大電容檢測電路43-44
• 4.1.2 差分電容檢測電路44-46
• 4.2 加速度計檢測電路總體方案46
• 4.3 載波產(chǎn)生模塊46-48
• 4.3.1 載波的選擇46-47
• 4.3.2 載波的產(chǎn)生47-48
• 4.4 差分放大模塊48-52
• 4.4.1 差分放大電路設(shè)計48-50
• 4.4.2 差分放大電路仿真分析50-52
• 4.5 帶通濾波電路52-54
• 4.5.1 帶通濾波電路設(shè)計52-53
• 4.5.2 帶通濾波電路仿真分析53-54
• 4.6 移相電路54-56
• 4.6.1 移相電路設(shè)計54-55
• 4.6.2 移相電路仿真分析55-56
• 4.7 同步解調(diào)模塊56-58
• 4.8 低通濾波模塊58-59
• 4.8.1 低通濾波電路設(shè)計58-59
• 4.8.2 低通濾波電路仿真分析59
• 4.9 本章小結(jié)59-61
• 5 扭擺式電容加速度計系統(tǒng)測試61-71
• 5.1 原理樣機61
• 5.2 電路實驗測試61-66
• 5.2.1 差分放大模塊61-62
• 5.2.2 帶通濾波模塊62-63
• 5.2.3 移相模塊63-64
• 5.2.4 解調(diào)模塊64
• 5.2.5 低通濾波模塊64-66
• 5.3 加速度計芯片溫漂對比測試66
• 5.4 加速度計線性度測試66-67
• 5.5 穩(wěn)定性測試67-68
• 5.6 測量精度68
• 5.7 本章小結(jié)68-71
• 6 總結(jié)與展望71-73
• 6.1 工作總結(jié)71-72
• 6.2 進一步工作展望72-73
• 致謝73-75
• 參考文獻75-79
• 附錄79
• A. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文79
• B. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間申請的國家發(fā)明專利79

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本文編號：775699