高精度真空微电子加速度传感器及接口电路研究

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微型加速度传感器,特别是基于微机电系统(MEMS)的加速度传感器广泛应用于汽车安全、导航系统、航空航天、军事、空间微重力等核心领域。目前,高精度微型加速度传感器更是近年来研究的热点。因此,进行基于易集成、抗干扰、检测精度高的加速度传感器研究具有重要的理论意义和需求背景。本文基于场发射理论,提出了一种新型的高精度真空微电子加速度传感器,设计的真空微电子加速度传感器由敏感结构和接口电路组成。其中敏感结构主要包括阴极锥尖阵列、折叠梁、发射极和反馈电极。其中阴极在(100)N型硅片上完成传感器的制作,阴极的锥尖阵列由HNA(HNO3、HF和CH3COOH)刻蚀形成,并由Ti W/Au薄膜金属化,最后通过感应耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺完成结构释放;在玻璃衬底上完成阳极和反馈电极的制作,最后通过键合工艺实现器件整体封装。接口电路实现传感器的闭环控制和信号检测。最后搭建测试平台,对高精度真空微电子加速度计进行重力场静态翻滚实验测试。测试表明该真空微电子加速度计具有良好的性能:测量范围-1 g~1 g、灵敏度为3.081 V/g、非线性0.84%、工作带宽120Hz、平均噪声谱密度值为36.7μV/Hz1/2、分辨率1.1×10-5g、以及零偏稳定性在24小时达到0.18mg。论文主要研究工作为:(1)分析各种硅微加速度传感器的结构和特点,针对现有真空微电子加速度传感器的不足,确定了论文的研究方向与研究内容。(2)分析真空微电子加速度传感器的结构和工作原理,深入研究金属场致发射、结构力学分析,推导计算系统刚度。(3)研究阴极锥尖的电场力理论模型,优化设计带锥尖阵列的质量块和弹性梁结构,开展静力分析和模态分析等有限元分析,探索传感器加工的工艺流程。(4)设计真空微电子加速度传感器控制和检测接口电路,实现加速度传感器的闭环控制,提高加速度计的检测精度、线性度和稳定性等。(5)完成传感器和接口电路的封装,研究系统测试方法,最后搭建测试平台,对真空微电子加速度传感器进行性能测试与结果分析。
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