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磁强计是用于磁场测量的传感器,在工业、农业和国防等领域都有广泛的应用。随着MEMS技术的发展,出现了一些利用新原理、新效应的微型磁场传感器。本论文在综述了微型磁强计发展现状的基础上,开展了基于MEMS的微型磁强计的研究。主要工作如下:研制了以坡莫合金(Ni81Fe19)为敏感材料的微型磁阻式磁强计。磁阻薄膜以SiO2/Si为基片,研究了溅射和退火温度对薄膜磁电阻特性的影响,得到了AMR值为3.8%,饱和场小于10Oe的磁阻薄膜。设计并制造了基于理发厅电极偏置的磁阻传感器芯片,对传感器尺寸进行了优化设计。经测试,传感器的灵敏度为0.44mV/V/Gauss,线性度为3%FS。
设计了采用玻璃-硅片键合工艺方案的微型隧道效应磁强计,通过薄片溶解工艺制作了硅薄膜结构,实现了在薄膜上的直接光刻。对传感器的结构进行了优化设计。通过拉应力薄膜的力学模型,导出了一阶固有频率的解析表达式,并指出,当板的厚度减小到一定程度,张应力薄板一阶谐振频率只与板的长度、密度和应力有关,而与板的杨氏模量和厚度无关。
通过Reynolds方程建立了振动薄膜的压膜阻尼数学模型,并用Hamilton原理得到了系统振动的简化模型,分析了拉应力薄膜在压膜阻尼作用下振动的动态特性。
对微型隧道效应传感器的加工工艺进行了研究。重点研究了硅尖和薄膜的制造工艺。在实验中发现,浓硼硅存在较大的压应力,引起薄膜的变形塌陷。使用谐振频率法对浓硼硅膜的残余应力进行了测量,结果表明其残余应力为-64MPa。
利用三轴硅微加速度计和所研制的微型磁阻传感器研制了微型方位水平仪。给出了姿态角解算公式。分析了加速度计安装误差和环境磁场对姿态角测量精度的影响,并进行了补偿。所设计的微型方位水平仪,实现了360°范围内的姿态测量。