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.     

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.     

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.     

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。     

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)...     

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。     

三梁-质量块敏感结构高性能压阻式碰撞加速度计

研究了一种主要应用于碰撞测试领域的硅微机械高性能压阻式加速度计,量程范围为2 000 gn.为满足技术性能要求,加速度计采用一种三梁-质量块结合梳齿阻尼器的新颖结构,从而可以同时具有高灵敏度及高动态特性(包括高谐振频率及精确阻尼控制).这种加速度计采用n型(100)普通硅片制作,主要工艺过程包括双面ICP深刻蚀和压阻集成工艺.振动台测试结果表明,加速度计的灵敏度为0.11 mV/gn/5 V,谐振频率为31 kHz,灵敏度±5%变化下平坦带宽大于5 kHz.采用落杆测试法测试了加速度计的冲击响应及0～2 000 gn满量程范围内的非线性度.封装后的加速度计承受15 000 gn的冲击测试后没有受到损坏.