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微机械电容式加速度计的设计及制备

韩小林  
【摘要】:微机械电容式加速度计是一种典型的利用表面微加工( Surface Micromachining)技术设计制造的惯性器件,因其高精度、良好稳定性以及与集成电路(IC)工艺技术良好兼容等优点,被广泛的应用于军事和民用各个领域,世界各国的科研机构多年来对于采用表面微加工技术的微机械电容式加速度计设计制造进行了大量的研究,取得了丰硕的成果。我国在这一领域的研发力度相对滞后,因此对于微机械电容式加速度计进行深入研究显得非常必要。 本文围绕着疏齿式微电容加速度计的制备,分析了微机械电容式加速度计的力学模型,讨论了影响器件灵敏度的相关参数,对于器件工作时的两种阻尼效应(滑膜阻尼和压膜阻尼)进行了分析,结合细梁弹性理论得到了制备工艺所采用的两种简单支撑梁结构的弹性系数;同时,采用ANSYS软件对三种不同结构的加速度计进行了静态力学和模态仿真分析,得到了不同结构参数的惯性质量块的位移、应力分布和谐振模式,利用分析得到的结果,优化了结构参数;在以上研究基础上,设计了基于表面微加工技术的疏齿式微机械电容式加速度计的制备流程,利用L-EDIT软件绘制了光刻版图,其中包括4种“一”字梁结构,6种回形梁结构和一种双轴结构器件,综合薄膜技术、光刻技术、反应离子刻蚀技术等制备了疏齿式微电容加速度计;最后简要讨论了微机械电容式加速度计的闭环回路系统实现和反馈力的加载,介绍了两种微小电容测试电路,研究了差分电容结构加速度计的信号读出电路的结构设计。


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