《基於單晶矽的高精度大動態範圍撓性加速度計研究》是依託華中科技大學，由塗良成擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於單晶矽的高精度大動態範圍撓性加速度計研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：塗良成
- 依託單位：華中科技大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高精度大量程的加速度計在區域重力調查、地球物理勘探、及地球重力場輔助導航等方面有著廣泛的套用需求，在對使用環境和耐用度要求極高的套用領域，不僅要求加速度計適用於惡劣的環境，而且對其穩定性提出很高的要求。與石英或金屬撓性加速度計相比，基於單晶矽材料深刻蝕加工的撓性加速度計具有更高的品質因素和結構穩定性，能極大降低彈簧-振子結構的熱噪聲水平，並提高其耐用性。本項目擬開展基於單晶矽的撓性加速度計研製，通過結構的最佳化設計，採用能夠實現高深寬比的感應耦合電漿（ICP）和Bosch工藝的深矽刻蝕技術，研製出熱噪聲水平低於5ng/Hz^(1/2)，動態範圍超過±1g的加速度計彈簧振子結構，配之以我實驗室成熟的高精度微位移電容感測電路技術，最終得到整體解析度優於10ng/Hz^(1/2)，動態範圍達到8個數量級的單晶矽撓性加速度計，滿足地球物理等諸多領域的套用需求。
結題摘要
加速度計是慣性測量系統的核心部件之一，在地質勘查、礦產與油氣田資源勘探、重力輔助導航等領域有廣泛的套用，這些套用對加速度計的噪聲水平、動態範圍提出了很高的要求。矽材料具有結構穩定、Q值高等優點，是製作高精度加速度的理想材料之一。本項目將矽基材料的穩定性與撓性加速度計技術成熟的優點結合，以地球重力場精密測量為套用目標，研發量程大於1g，解析度優於10ng/√Hz的矽基撓性加速度計。 項目首先對矽基撓性加速度計的表頭結構進行最佳化設計。通過仿真和最佳化設計，彈簧-振子結構固有頻率約為15Hz，大氣下機械熱噪聲約為1ng/√Hz，量程為±2.4g。為了提高電容位移檢測動態範圍，進行了陣列電容極板和單電容極板組合輸出設計，理論上能實現9個量級的位移檢測範圍。 接著對加速度計表頭加工工藝進行摸索。為了實現三個金屬層、兩個絕緣層和體矽結構刻蝕等總計125個串聯的工藝，首先針對單層工藝進行研究，再對串聯加工時出現的工藝穩定性、兼容性問題進行研究和最佳化，最終成功實現了矽基撓性加速度計表頭的加工。 為了實現質量塊位移的高靈敏度檢測，通過對加速度計陣列電容感測進行原理研究、仿真分析和實驗驗證，確定了極板間距、寄生電容、電容邊緣效應三個影響靈敏度的因素，提出了利用較厚的PSPI做介質減小寄生電容、設計加速度計倒置工作模式減小極板間距和電容邊緣效應的結構、工藝改進方案。並針對電容檢測需求研製了後端檢測電路和反饋控制系統。 最後對加速度計性能參數進行測試。矽基撓性加速度計陣列電容極板測試靈敏度達到55pF/g，與設計值在誤差範圍內吻合。加速度計的靜態測試本底噪聲為3 ng/√Hz@1Hz，優於項目指標要求。通過振動台測試，加速度計量程為±1.4g。同時實現矽基撓性加速度計反饋控制功能。 ng解析度矽基撓性加速度計的研製為高精度慣性測量需求提供了一種低成本，低功耗，高穩定性的可選方案，在精密重力測量及慣性導航領域有重大套用前景，也為高精度矽基MEMS感測器在不同行業領域的套用提供參考。
