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论文在调研和分析国内外高精度MEMS电容加速度传感器的基础上,对“三明治”结构的差分电容式MEMS加速度计进行了深入的研究。论文按照加速度计敏感单元的闭环机电特性、机械结构设计、工艺设计及加工、开环/闭环接口电路设计及相关测试等方面循序展开,具体工作内容包括: 1.系统的调研了目前MEMS加速度计的研究及发展状况,对各种检测模式的加速度计的性能的优点和不足进行了比对和分析。在综合考虑MEMS加速度计各项性能指标要求的基础上,选定“三明治”电容式加速度计作为具体的研究方向,并对近20年国内外“三明治”电容式加速度计的研究发展进行了总结和分析,从而找出研究突破点,并确定相关具体研究方案。 2.从讨论和分析“三明治”电容加速度计的闭环机电特性入手,对加速度计的闭环输出标度因数、闭环电刚度等进行了研究,确定了加速度计的关键结构尺寸如电容初始间距,电容电极板面积等,并对加速度计机械结构设计提供设计依据。根据以上分析结果,并结合加速度计加工工艺的可行性研究结果,针对对称支撑的梁-质量块结构的机械特性进行了深入研究,具体包括如敏感轴向的机械刚度的推导和计算、机械交叉轴耦合的分析和解算,横向抗过载结构的设计等。本文还对加速度计的总体噪声水平和敏感单元的Q值和电路最小电容分辨能力的关系进行了探讨。 3.本文采用出一种适用于对称结构加速度计加工的新型双器件层SOI基片,该基片包括从上至下对称分布的5层结构,包括正反面的器件层,埋氧层和中间的体硅衬片层。针对加速度计结构设计的结果,制定了基于双器件层SOI片的加工工艺方案。具体包括:敏感电容间隙的精确加工,带有圆弧倒角的梁结构的湿法腐蚀加工工艺研究,梁-质量块结构的释放工艺研究,以及TMAH腐蚀过程中器件层结构的保护,工艺加工的对称性和一致性等问题。在上述研究和实验的基础上,利用双器件层SOI基片完成了加速度计梁-质量块结构的加工,将其和加工好的玻璃盖板基片分别键合得到“三明治”MEMS电容加速度计敏感单元。 4.在完成了敏感单元结构的加工之后,先对敏感结构本身进行了电容特性测试,并对敏感单元的可驱动能力进行了测评。设计了开环检测/电扫频电路,并完成了加速度计在不同气压下Q值的测定。最后介绍了加速度计的闭环检测专用集成电路(ASIC)并给出了部分闭环测试结果。