电化学腐蚀技术在制作硅谐振式微力传感器中的应用

一、引言 微力传感器在微量称重、液体表面张力分析以及生物体微组织力测量等领域具有广阔的应用前景.我国以前自主研制的微力传感器基本上都是采用半导体应变片和扩散硅制成的压阻式传感器,其主要缺点是漂移较大,要实现高精度测量与长期监测较为困难.而谐振式传感器由于具有频率输出、高稳定性和高分辨率等优点,被看作是力敏传感器的发展趋势之一.国外已研制出力、压力、加速度等多种谐振式固态传感器,其中荷兰Twente理工大学研制出一种硅谐振式微力传感器,其量程仅为0～0.4牛顿.该传感器的核心敏感元件是一个6×0.4×0.02mm3的双端固支谐振硅梁,由各向异性腐蚀技术加工而成.

硅谐振式钻井液密度传感器调校方法

传统钻井液密度传感器其变送器大多采用压敏电容式工作原理,存在准确度低、易损坏、易漂移等缺点。该文介绍了一种新型硅谐振式变送器的钻井液密度传感器,能较好克服上述缺点;文章简述了其工作与调校原理;通过对电容式钻井液密度传感器的分析,阐明了硅谐振式钻井液密度传感器在性能上的优点;具体介绍了硅谐振式密度传感器的调校方法与步骤。

小型化硅微谐振式加速度计的实现与性能测试

设计了一款由微机电系统和专用集成电路构成的小型化硅微谐振式加速度计。该加速度计采用80μm厚SOI工艺加工微机电系统(MEMS)结构,采取真空封装技术降低结构噪声。首先,采用振荡信号作为自动增益控制电路中斩波器的控制信号,降低了闪变噪声且不会引入额外的功耗。其次,使用线性区工作的乘法器取代传统的吉尔伯特单元,通过大幅降低系统总体供电电压来降低功耗。最后,采用复位计数器进行频率数字转换,在所关心的带宽内抑制量化噪声。实验显示:该加速度计在达到±30 g线性量程的前提下,实现了2.5μg/√Hz的分辨率和1μg的零偏不稳定度。此外,为了减小电路自身发热引起的温度漂移,该样机的功耗被控制在3.5mW以内,系统集成后的尺寸约为45mm×30mm×20mm。基于所述技术,系统在体积、功耗和性能方面均有较大的提升。

硅微谐振式加速度计的实现及性能测试

为了提高硅微谐振式加速度计性能,从一种基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,介绍了加速度计的结构、加工方法和接口电路。该谐振式加速度计结构包括敏感质量块、谐振器和微杠杆3部分,采用差动结构来减小共模误差的影响。接口电路中采用了自动增益控制电路来稳定谐振器的振幅,成功实现了谐振器的闭环自激振荡和频率检测。分析了谐振式加速度计频率输出与加速度输入的关系,测试了硅微谐振式加速度计样机性能,结果为量程±50g,标度因数143 Hz/g,零偏稳定性1.2 mg,零偏重复性0.88 mg,阈值170μg。文章最后提出,DDSOG工艺中采用的玻璃材料和硅材料温度系数不同,影响了加速度计的温度特性,因此需要进步一改进加工工艺。

微杠杆在硅微谐振式加速度计中的应用

从基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,阐述了加速度计中微杠杆结构对惯性力的放大作用,证明了标度因数与系统放大倍数n为正比关系,并以加速度计样机中的单级微杠杆为例,建立了加速度计的理论模型。推导了微杠杆的放大倍数A和轴向刚度K的计算公式,以此为基础导出了加速度计系统放大倍数n的计算方法。依据公式计算得到加速度计样机的系统放大倍数n的理论值为21.820,并用有限元方法对理论值进行了仿真验算,得出n的仿真值为19。最后对加速度样机进行了实际测试,测得加速度计的标度因数为127.33Hz/g,系统放大倍数n为25.466。对所得结果的比较表明,系统放大倍数的理论值与仿真值及实验值的误差分别为14.8%和14.3%,误差在可接受范围内。

硅微谐振式加速度计的温度效应及补偿

零偏和标度因数稳定性是衡量加速度计性能的两个重要参数.为了降低硅微谐振式加速度计的温度敏感性,对其温度影响机理进行了深入研究.通过温度实验发现,硅微谐振式加速度计的零偏和标度因数与设计理论参数有较大区别,且都具有较大的温度灵敏度,分别为0.72 g/℃和1.5℃-1.对弹性模量和谐振器应力与谐振器频率的关系进行了理论计算和FEA仿真验证,其中弹性模量引起的谐振频率-温度灵敏度为-0.7 Hz/℃,谐振器应力引起的谐振频率-温度灵敏度为180 Hz/℃.阐述了加工过程中键合应力产生的原因以及键合应力与谐振器残余应力的关系,发现谐振器应力是造成加速度计输出随温度漂移的主要因素.提出了一种隔离残余应力的隔离梁的设计方案,可使零偏温度灵敏度降至-35 Hz/℃,为温度补偿指明了方向.

硅微谐振式加速度计驱动电路参数优化

将遗传算法与低频模型相结合,提出了一种快捷的驱动电路设计方法,用于提高低功耗硅微谐振式加速度计模拟驱动电路的瞬态性能,并缩短设计周期。该方法通过对闭环驱动电路模型进行高低频解耦,提取闭环驱动电路的低频模型;将提取的低频模型与遗传算法相结合,给出完整的优化方法,得到了满足各项实际约束的最优电路参数。针对某型硅微谐振式加速度计,建立了SIMULINK低频仿真模型,根据实际情况制定了约束条件。应用该方法求出了系统启动速度最快的PI控制器的参数,并对其进行了实验验证。起振实验结果表明,采用优化参数可使超调量小于50%,相位误差小于5°,1%调节时间从优化前的0.42s减少到优化后的0.19s,实验与仿真误差小于5%。得到的结果证明提出的方法正确有效,具有可实施性。

谐振式硅基集成光学陀螺的偏振噪声建模与分析

偏振噪声是谐振式集成光学陀螺的主要光学噪声源,其存在大大降低了系统的精度,为了定量化研究谐振式集成光学陀螺偏振噪声的产生机理,利用琼斯矩阵和光束传播法建立了谐振式硅基集成光学陀螺偏振噪声模型,该模型综合考虑了波导传输介质中的光偏振态交叉耦合、应力双折射等的影响,有效地逼近了实际的物理系统。基于上述模型得出了谐振腔内二氧化硅波导本征偏振态交扰与陀螺极限输出之间的表达式。对波导谐振腔内与偏振相关的3个因素:输入光偏振态、温度波动和波导保偏性能进行了仿真分析。并通过在输入端插入高偏振度起偏器的实验装置,有效验证了所建偏振理论模型受输入光偏振态波动影响的正确性。

硅微机械谐振式陀螺仪

介绍了硅微机械谐振式陀螺仪的工作原理,给出了硅微机械谐振式陀螺仪的动力学方程详尽推导。针对此方程进行仿真研究,对结构设计参数进行了估计。研究表明,硅微机械谐振式陀螺仪是一种很有发展前途的新型陀螺仪。

基于结构参数的硅谐振式加速度计频率特性分析

硅谐振式加速度计精度高、稳定性好、数字输出,且体积小、成本低、易于集成,是惯性加速度计未来的发展方向之一。根据谐振式加速度计的原理对其关键结构参数对谐振频率及加速度计灵敏度的影响进行了理论分析,并结合硅谐振式加速度计的具体工作情况与谐振梁的实际结构合理设置仿真边界条件,分别对一种硅谐振式加速度计谐振器的谐振梁宽度、谐振梁厚度、谐振梁长度以及双谐振梁间距进行仿真分析,从理论与仿真两个方面得到了关键结构参数对谐振频率与加速度灵敏度的影响规律,验证了仿真结果与理论推导结果的一致性与差异点,为后续高机械灵敏度结构设计提供参考依据。

有限元法在谐振式硅微机械加速度计设计中的应用

谐振式硅微机械加速度计是新型高精度的微机电系统传感器.作者选用双端固定音叉作为谐振器,设计了一种硅微谐振式加速度计.设计中,使用了有限元分析软件进行了大量辅助分析,对传感器的工作情况进行了仿真.通过模拟和计算,预先估算出谐振器固有频率、应力分布情况以及传感器基本性能参数,这对传感器工艺流程设计及结构改进具有重要意义.有限元分析结果显示,传感器的灵敏度大约为2Hz/g.

热激励谐振式硅微结构压力传感器

针对一种以矩形硅膜片为一次敏感元件、硅梁谐振子为二次敏感元件采用电阻热激励、压敏电阻拾振的谐振式压力微传感器 ,简述了其工作机理 ;从谐振式硅微传感器整体优化设计、闭环系统优化设计、微弱信号检测、敏感元件工艺实践。

硅微谐振式压力传感器中的单端口静电激励-电容检测方法研究

采用静电激励-电容检测方式的硅微谐振式压力传感器具有温度稳定性好、灵敏度高、功耗低等优点,但同频耦合干扰是限制电容检测精度的主要因素。采用频域分离法可有效地克服同频耦合干扰带来的影响。在研究基于频域分离法的单端口静电激励/电容检测的基础上,提出了单端口静电激励/电容检测方案。

梳齿结构与振动梁复合的硅微谐振式加速度计非线性振动特性

硅微谐振式加速度计的非线性振动可以导致振动幅度噪声耦合到频率输出进而恶化器件的噪声性能,因此有必要对谐振式加速度计的非线性振动特性进行评估及优化,拓展线性振动范围。本文针对所设计的基于梳齿结构与振动梁复合的硅微谐振式加速度计进行了仿真与实验分析。首先对加速度计结构使用COMSOL仿真软件进行了非线性仿真分析,该方法通过在谐振梁的振动方向上施加一个静力,得到力与位移之间的关系,计算出非线性三次项系数k3,eff和线性系数keff的比值约为2.13×10^10 m^-2。然后,对双端固支音叉(DETF)进行扫频测试,得出DETF的非线性振动频响曲线。根据Duffing方程对实验数据进行拟合,得出器件两个DETF的非线性三次项系数k3,eff和线性系数keff的比值分别为2.24×10^10 m^-2和2.19×10^10 m^-2。仿真值与测试值的误差分别为5.2%和2.8%。实验结果与仿真值吻合得较好,印证了仿真方法的有效性和测试数据的可靠性。最后,对所设计的谐振加速度计进行非线性分析,当振幅小于35.4 nm时,DETF工作在线性区,可为后续谐振式加计的控制电路设计提供参考。

硅微谐振式加速度计温度补偿方法研究综述

硅微谐振式加速度计具有体积小、成本低、动态范围宽、高精度准数字频率信号输出等优势,但零偏、标度因数等关键性能指标受到了温度等因素的制约,尚不能满足高精度导航制导的高性能要求。因此,本文在简要介绍硅微谐振式加速度计温度特性及温度误差来源的基础上,综述了近年来国内外学者针对硅微谐振式加速度计进行的温度补偿方面的研究,包括无源温度补偿技术、有源温度补偿技术;介绍了无源温度补偿技术与有源温度补偿技术常用的方法和最新的研究成果;分析总结了各种方法的优缺点,提出探索更加精确的测温手段、热隔离效果更好的隔离装置以设计一种低功耗、预热时间短、控制稳定性强的微烘箱系统进行器件层的加热控温,以及寻求无源补偿技术与有源补偿技术相结合的更多可能性以获得温度补偿最优组合是后续温度补偿工作的重点研究方向。

硅微谐振式加速度计电路带宽测试方法研究

以自主研制的硅微谐振式加速度计(MSRA)为研究对象,针对其驱动电路的带宽测试,设计一种基于锁相环解调电路的带宽测试方案。针对锁相环驱动电路的相位传递函数建立SIMULINK仿真模型,并对闭环回路模型进行分析。在锁相环的输入端口加载由现场可编程门阵列(FPGA)产生的激励信号,等效为外界加速度频率变化下的锁相环输入信号,由基于锁相环的解调电路读出加速度计驱动电路的输出幅值,该带宽测试模型与MSRA实际测试情况一致。实验结果表明:MSRA锁相环驱动电路的实测+3 d B的带宽值为210 Hz,与模型仿真得到的216 Hz基本吻合。该测试方法具有精度高、易实施、成本低等特点,可满足锁相环驱动电路的带宽测试需求。

一种硅微谐振式加速度计频率读出方法与ASIC实现

针对硅微谐振式加速度计(SRA),提出了一种低噪声、低功耗、可集成的频率读出电路。频率读出电路主要基于Σ-Δ原理,实现了对量化噪声的调制与抑制,在0.1 Hz频率下实现了0.1Mhz/√Hz的频率测量水平。同时,专用集成电路(ASIC)实现了对加速度测量中频率非线性的补偿,实现了在质量块正弦调制谐振梁情况下频率的零均值变化,解决了冲击和振动环境中非线性导致的加速度偏移问题。最后,ASIC以0.35μm CMOS工艺实现,并与前端模拟振荡电路集成,构成了完整的SRA单芯片测控系统。

硅微谐振式加速度计的谐振器非线性振动调节与抑制方法

在高精度微型惯性制导系统的应用中,基于MEMS工艺制造的硅微谐振式加速度计(SRA)由于其较大的线性量程和较低的控制环路噪声,更容易实现高精度,逐渐成为研究热点。研究发现,SRA高Q值设计的特点使得谐振器极易受到非线性振动的影响,进一步产生幅频耦合效应导致SRA的幅度噪声耦合到频率输出噪声,恶化SRA的零偏不稳定性,因此在设计时应尽量避免谐振器非线性振动的干扰。分别从驱动力控制和谐振器的结构设计两个方面对谐振器非线性振动进行了理论分析,在此基础上提出特定Q值与结构下改变谐振器边界条件的方法,将非线性刚度降低为原来的41%,线性振动的最大振幅提升为原来的2.6倍。最后设计实验验证了谐振器的非线性刚度和幅频响应,理论模型与实验值误差小于15%。

谐振式硅微结构传感器综合测试分析仪

提出了一种谐振式硅微结构传感器综合测试分析仪器,用于微机械谐振式传感器各关键环节的测试、分析与评估。主要解决测试对象特性模型、微弱信号处理、测试数据分析评估等问题,并将有关理论和技术集成为一台模块化的、具一定开放性的测试仪器。该测试仪器对于深入掌握谐振式硅微结构传感器谐振子和闭环系统的特性和优化方法,实现高性能微传感器具有重要意义。

硅微谐振式加速度计相位控制环路优化研究

硅微谐振式加速度计(MSRA)凭借其潜在的高精度特点成为微加速度传感器领域的重点研究方向之一。相位环路的控制精度直接决定了MSRA的测量精度。在对MSRA工作机理进行简要分析的基础上,着重研究了现实验室加速度计样机的相位控制环路,分析了其相位误差的来源,并在原有环路滤波器的基础上增加了一种带参考电压的PI校正控制环节。实验结果表明,增加PI校正环节后,组成的四阶二型锁相环路可以使差分频率输出与温度线性拟合的相关系数从0.96291提高至0.98863,在±20 g量程围内,非线性度从430 ppm降低至154 ppm,硅微谐振式加速度计的零偏稳定性在常温下达到8.64μg。