CMOS-MEMS体硅集成陀螺的系统仿真

体硅MEMS和CMOS电路的单片集成技术是提高传感器性能的有效途径,但是集成技术会对陀螺的设计和CMOS电路的设计提出更高的要求。通过建立CMOS-MEMS体硅陀螺的等效电学模型,实现了对CMOS-MEMS体硅陀螺的系统级仿真。通过系统仿真,陀螺的结构部分、电路部分、集成产生的寄生效应以及工艺误差得到了有效的分析,从而能够了解它们相互之间的影响,更好的指导CMOS-MEMS体硅集成器件的设计。

壳体加速度对硅微角振动陀螺仪性能的影响

分析了壳体加速度对硅微角振动陀螺仪性能的影响，导出并分析了不平衡摆性误差和正交不平衡误差。

基于静电悬浮转子的硅微陀螺技术

设计了一种转子采用五自由度静电悬浮的微机械陀螺。微陀螺基于玻璃-硅-玻璃键合的三明治结构、环形转子、体硅工艺、电容式位移检测方案;采用公共电极施加高频激励信号,基于隔离网络和频分复用的方法实现检测电极与加力电极的复用以简化陀螺结构;通过有源静电悬浮系统约束环形转子沿五自由度的运动,并提供足够的支承刚度;转子的转速控制基于三相可变电容式电机驱动方式,借助于检测转子与定子旋转电极的电容变化获得转子速度以实现转速闭环控制。目前已加工出基于深反应离子刻蚀工艺的微结构,采用基于DSP的数字控制器实现了环形转子的五自由度稳定悬浮。

单片三轴硅微机械振动陀螺仪研究

设计、制造了一种单片集成三轴硅微机械振动陀螺仪.该器件由两个结构完全相同的单轴水平陀螺仪和一个单轴垂直陀螺仪组合而成,三只单轴陀螺仪均采用静电驱动、电容检测的结构形式.采用体硅溶解薄片法制造了该三轴陀螺仪芯片,并对其在空气中的驱动性能进行了初步测试.测试结果表明,该单片三轴硅微机械振动陀螺仪驱动模态的实际谐振频率与理论值之间的最大误差小于5%,满足设计要求.

一个单芯片硅微惯性测量组合

论文基于普通的体硅工艺设计实现了一个单片集成式硅微惯性测量组合.通过对敏感表头的结构优化设计达到异构图形长和宽的较高一致度,从而有效降低刻蚀延迟效应(RIELag)对大面积结构深刻蚀造成的影响.所加工的样片在不到1cm2的硅片面积上同时包含了三个不同轴向的硅微加速度计和三个不同轴向的硅微陀螺,可对载体在笛卡尔坐标系内六个自由度上的运动分量进行测量.针对这六个片上惯性元器件,分别设计了相应的接口电路并进行了测试.测试表明其中的陀螺可达到1deg/s左右的精度,加速度计有33mV/gn的标度因子.论文研究表明这种单片集成式硅微惯性测量组合的实现方法工艺简单,可有效降低惯性测量组合的体积,同时具有进一步提高精度的潜力.

微静电陀螺仪的结构设计与工艺实现

为了探索微机械陀螺突破精度极限的新途径,设计了一种基于环形转子、体硅加工工艺、转子5自由度悬浮的硅微静电陀螺仪.采用玻璃-硅-玻璃键合的三明治式微陀螺结构,提出了包括双边光刻、反应离子刻蚀(RIE)、电感耦合等离子体(ICP)刻蚀、玻-硅静电键合、硅片减薄、多层金属溅射等关键工艺的加工路线.在工艺设计中采用铝牺牲层对转子进行约束,在第2次玻-硅键合后再通过湿法去除牺牲层,以得到可自由活动的转子.基于提出的体硅工艺路线,成功加工出了微陀螺敏感结构,并完成了转子5自由度悬浮和加转实验,测试结果表明大气环境下转子转速可达73.3 r/min.

磁悬浮转子微陀螺的微细加工工艺研究

介绍了磁悬浮转子微陀螺的工作原理及有关的微细加工工艺。磁悬浮转子微陀螺的平面线圈是采用光刻、电镀及溅射等微细加工方法来实现的,微转子的加工有冲压、蒸铝沉积等方法,其中冲压能得到质量较好的微转子;上壳体采用体硅腐蚀来制作。初步的实验表明该方案是行之有效的。

一种静电驱动电容检测的微机械陀螺及其工艺改进

介绍了一种新型的体硅微机械工艺制造的框架式陀螺及其工艺改进。框架式设计使得陀螺的驱动模态和检测模态解耦;静电力驱动外框使得陀螺进入初始谐振模态;通过内部质量块和固定电极组成的差分敏感电容对的电容极板交叠面积的变化来检测输入的角速度信号;变面积的检测方法消除了变间距检测电容变化的非线性。陀螺的驱动模态和检测运动模态都在平面内运动,因此工作阻尼以滑模阻尼为主,从而使得器件在常压下也具有较高的品质因子。深反应离子刻蚀获得了大的可动质量块,也使得弹性梁在Y方向和Z方向上有较大的弹性系数,从而降低交叉耦合并获得了较高的吸合电压。改进后的工艺过程降低了深反应离子刻蚀过程中的根部效应对器件的损伤,并同时使得质量块质量增加了50%。对原型器件的驱动和检测特性以及功能结果进行了测试,并给出了测试结果。

双框架解耦微陀螺原理样机研制

为了把驱动工作模态和检测工作模态有效隔离,以减小模态间的互相干扰,设计了一种双框架解耦微机械陀螺。通过采用可工程化的鲁棒优化结构设计和工艺补偿的制造工艺,实现了工艺误差范围内的稳健设计。这种内外框架结构的微陀螺设计,包括自激闭环驱动电路和开环检测电路,对微陀螺进行测试,得到微陀螺驱动模态品质因素>2000,检测模态品质因素>800,量程为2400°/s,线性度<0.3%,灵敏度为1°/s。

采用DDSOG工艺加工Z轴微机械陀螺仪实验

从理论上分析了Z轴微机械陀螺仪结构的工作机理,比较了体硅薄片融解工艺和DDSOG工艺的优缺点.介绍了采用DDSOG工艺加工的Z轴微机械振动陀螺的特点,并与采用体硅薄片融解工艺加工的相同Z轴微机械振动陀螺进行了残余应力、品质因数及灵敏度等性能参数的比较,采用DDSOG工艺后陀螺的驱动品质因数是原来体硅薄片融解工艺的1.45倍,而检测品质因数是原来的0.11倍.最后,比较了采用2种不同工艺加工后Z轴微机械陀螺的实验结果,结果表明采用DDSOG工艺加工后陀螺的灵敏度比原来采用体硅薄片融解工艺加工的陀螺的灵敏度提高了近10倍.

微机械陀螺仪版图与工艺设计

体硅MEMS工艺是一种主要的微机电系统加工手段,通过对陀螺结构研究和体硅MEMS工艺的实验,在陀螺的版图设计和工艺加工方面积累了一些实践经验。对于我们今后开展体硅MEMS工艺技术研究和陀螺结构设计是一个很好的借鉴。