（精密仪器及机械专业论文）硅微电容式、隧道式加速度计检测技术研究.pdf

中北大学学位论文 硅微电容式、隧道式加速度计检测技术研究 摘要 随着硅微加工技术的不断成熟，硅微加速度计已经在传感器市场占据着越来越重要 的地位。传感器技术的发展也对其外围检测电路提出了越来越高的要求，对硅微传感器 敏感元件输出的微弱信号的检测是目前研究的热点之一。微小型化的传感器敏感元件必 然也要求微小型化的外围电路与之相匹配，电路的集成化是必然的趋势a 本文对硅微加速度计研究中的热点电容式加速度计和隧道式加速度计的微弱 信号检测电路进行了设计、测试及标定，并对电容式加速度计及所设计的检测电路进行 了厚膜混合集成。 在了解梳齿式电容加速度计检测原理的基础上，完成了其差分检测电路的设计，为 保证其线性度和提高量程，采用了闭环反馈控制电路。测试了所设计电路的分辨率，己 达1 0 。6 f 。与电容式加速度计进行了联调，并进行了传感器的静态及动态测试，各项测 试均较理想。 对隧道式加速度计的检测原理隧道效应，进行了介绍，并对北京大学加工的隧 道式加速度计进行了开环测试，及对系统进行了s i m u l i n k 仿真用于指导隧道式加速 度计检测电路中参数的设定。对三轴隧道式加速度计进行了线性度测试及标定。并对真 空封装的隧道式加速度计进行了p i d 设计及仿真。 电路集成可以使外围检测电路微型化，提高电路性能和稳定性。采用厚膜混合集成 工艺完成了电容式加速度计及其检测电路的集成，对厚膜混合集成所选用的元器件、材 料及制作工序进行了详细的论述，对集成后的电容式加速度传感器进行了功能测试，可 知其分辨率较之集成前提高了一个数量级。 关键! 字：硅微加速度计，微弱信号检测，电容式加速度计，隧道式加速度计，厚膜 混合集成 中北大学学位论文 t h er e s e a r c ho nd e t e c t i o nt e c h n o l o g yo f c a p a c i t a n c e a e c e l e r o m e t e ra n d t u n n e l i n ga c c e l e r o m e t e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h es i l i c o nm i c r o m a c h i n i n gt e c h n i q u e ，t h es i l i c o na c c e l e r o m e t e r h a sa l r e a d yt a k e nu pc o n s e q u e n c ei nt h e n s o rm a r k e t t h ed e v e l o p m e n to fs e n s o r t e c h n o l o g yn e e dp r e c i s i o np e r i p h e r yd e t e c t i o nc i r c u i t s o n eo ft h eh o t s p o t si st h ew e a ks i g n a l d e t e c t i o no fs i l i c o nm i c r o s e n s o r ss i g n a l t h em i c r o m i n i a t u r i z e dc i r c u i t r yi sn e e d e dt o m i c r o s e n s o r t h ei n e v i t a b l et r e n di st h ei n t e g r a t i o no f c i r c u i t t h i s p a p c r s r e s e a r c ho nt h eh o t s p o to fs i l i c o nm i c r o a c c e l e r a t i o n - - - c a p a c i t a n c e a c c e l e r a t i o na n dt h et u n n e l i n ga e c e l e r o m e t e r , t h ew e a ks i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i tw e r ed e s i g n e d ， t e s t e da n dd e m a r c a t e d i no “l e rt oi m p r o v et h ed e t e c t i o np r e c i s i o n t h ea c c e l e r a t i o na n d d e t e c t i o nc i r c u i tw b 豇 ei n t e g r a t e db yt h et h i c kf i l mm i x t u r ei n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ec o m bc a p a c i t a n c ea e c e l e r o m e t e r ss e n s o rm e c h a n i c s ，t h ed i f f e r e n c e d e t e c t i o nc i r c u i tw a sd e s i g n e d i no r d e rt oi m p r o v et h el i n e a r i t ya n dm e 蠲u r er a n g e ，t h ec l o s e d l o o pf e e d b a c kc o n t r o lc i r c u i tw a sa d o p t e d t h er e s o l u t i o nh a sr e a c h e d1 0 一”f a f t e rj o i n i n g t h ec a p a c i t a n c ea c c e l e r a t i o na n dt h ed e t e c t i o nc i r c u i t ，t e s t e dt h es e n s o r ss t a t i cs t a t ea n d d y n a m i cc h a r a c t e r , t h er e s u l ti sq u i t ew e l l t h et u n n e l i n ge f f e c ti si n t r o d u c e d ，w h i c hi st h et u n n e l i n ga c c e l e r a t i o n sd e t e c t i o n p r i n c i p l e id i dt h eo p e nl o o pt e s to ft h et u n n e l i n ga c e e l e r o m e t e r , w h i c hw a sf a b r i c a t e db y p e k i n gu n i v e r s i t y id i dt h es i m u l i n ks i m u l a t i o nt og u i d et h ep a r a m e t e re n a c t m e n to f d e t e c t i o n c i r c u i t t h et h r e e - a x i st u n n e l i n ga e c e l e r o m e t e rw e r et e s t e da n dd e m a r c a t e d ，t ot h e a c e e l e r o m e t e ro f v a c u u mp a c k a g e ，ih a sd o n et h ep i dd e s i g na n ds i m u l a t i o n t h ec i r c u i ti n t e g r a t i o nc a l lm i n i s ht h ec i r c u i tv o l u m e ，i m p r o v et h ec i r c u i tp 晌m 啪c e a n ds t a b i l i t y t h et h i c kf i l mm i x t u r ei n t e g r a t ec i r c u i ti s a d o p t e dt oi n t e g r a t et h ed e t e c t i o n i i 中北大学学位论文 c i r e u i ta n dc a p a c i t a n c ea c c e l e r o m e t e r , t h em a t e r i a la n dw o r k i n gp r o c e d u r ew e f ei n t r o d u c e d t h r o u g ht e s t i n gt h ei n t e g r a t e ds e n s o r , t h er e s u l ts h o w nt h a tt h er e s o l u t i o nc a ni m p r o v eo n e o r d e r k e y w o r d s ：m e m s ，s i l i c o nm i e r o a c c e l e r o m e t e r , w e a ks i g n a ld e t e c t i o n , c a p a c i t a n c e a e e e l e r o m e t e r , t u n n e l i n ga e c e l e r o m e t e r , t l l i c kf i l mm i x t u r ei n t e g r a t i o n l l i 中北大学学位论文 1 1 硅微加速度计概述 1 绪论 随着硅微加工技术的不断成熟，硅加速度计已经在传感器市场占据着越来越重要的 地位，小型化、智能化、集成化已成为加速度传感器的发展方向，其应用也已逐步扩展 到了工业和航天技术等领域【l - 2 1 。传感器技术的发展也对其外围检测电路提出了越来越 高的要求，微小型化的传感器必然也要求微小型化的外围电路与之相匹配；对微弱信号 的检测能力更是成为衡量外围电路性能的一项重要指标。 1 1 1 基本原理及分类 加速度计可以用图1 1 所示的二阶弹簧一阻尼器一质量块系统进行分析嘲，当外部加 速度作用在敏感质量块上时，改变了弹簧的应力和质量块的位移，据此可以测试加速度 的大小。用牛顿定律和上述加速度计模型，可得到加速度计的机械传输函数： 阻尼器 l 位移z 图1 1 加速度计的集总模型 肌加嚣。衣2 丽1 式中，口为外界加速度，矗s ： x 为质量块的位移，i 1 1 ； m 为共振频率，h z ： 中北大学学位论文 q 为品质因子，无量纲： d 为阻尼因子，无量纲； m 为质量块的质量，k g 。 外部加速度引起的质量块的静态位移为： 6 x ：华：二 ， ( 1 1 2 一)= o _ ， l j 膏也。 从上式可以看出，外部加速度引起的质量块的位移主要由器件的共振频率决定。 因此对于电容式加速度计的灵敏度可以用下式计算： s = 鼍= 善妄= 磊6 3 、百8 0 a ，瓦a 。i m 口) 一筹k ( t 3 ) 加知蚀缸、瓦7 劫、后7 瓦2 式中，矗为空气的介电常数，无量纲； a 是传感正对面积，l n 2 ； 以为初始传感间距，m 。 为了能够获得高分辨率的加速度系统，要求加速度计的灵敏度要高，噪声要小。从 上面的公式可以看出，为了能够满足该要求，可增大电容极板面积、增加振子的质量、 减小电容极板间距、减小弹性梁的弹性常数。 硅微型加速度计是一类重要的微型惯性器件，硅微型加速度计主要用来测量载体的 加速度信息，并且可以通过积分，提供速度和位移信息。 微机械加速度计有多种分类方法，表1 1 列出了按不同敏感原理进行分类的加速度 计的特点的比较。 压阻式微机械加速度传感器是发展比较早，并且也是比较成熟的传感器【乳。比较典型 的产品是美国e g & gi cs e n s o r s 公司生产的微机械加速度传感器，如图1 2 所示。该系 列的传感器既有一维加速度传感器( 如3 0 2 2 、3 0 2 8 、3 1 4 5 、3 2 5 5 等) ，也有三维加速度传 感器( 如3 3 5 5 ) ，测量范围有o 2 5 0 9 ，或o + 5 0 0 9 等。在军事上可用于航空航天中的 飞行导航、弹药的点火控制。在民用领域可用于汽车安全气囊、振动试验、运动控制等 ( 6 j 。 2 中北大学学位论文 表1 1 各种敏感原理及其特点比较1 4 1 敏感 信号处理电线性 参数路度 优点缺点 简单的电阻 制作工艺和信号处温度系数相对较大，工作 压阻式电阻 好 理简单，信号较强温度范围窄电桥 电荷放大器高频响应好，灵敏低频响应差，需要高阻抗 压电式电荷较好 度高运放 高灵敏度的结构简单，尺寸小， 信号微弱，对信号处理电 电容式电容 开关电容或较差易于集成，不易受路要求高。 电桥电路温度影响，功耗低 谐振式谐振宽频带闭环 重复性、稳定性好， 频率谐振频率较好不易受噪声干扰，系统结构复杂 数字化输出 隧道电隧道微小电流检系统结构复杂，信号检测 流式电流测电路 较差灵敏度极高 电路要求高，工艺要求高 热对流 温度 热敏电阻构结构简单，可靠性受外界温度影响大，量程 式 成的电桥 一般 高较小，信号处理电路复杂 图l - 2 美国e g & gi c 传感器( 3 0 2 8 、3 2 5 5 ) 压电加速度计的特点在于它们具有较高的灵敏度，且能够精确地检测宽范围的动态 加速度，这使得压电加速度计不仅可用于测量瞬态冲击过程外，还可用于测量正弦振动 和随机振动。但是，压电加速度计不适用于稳态测量的场合，例如地球引力、惯性制导 或诸如发动机加速及制动等缓慢变化的瞬态过程。在压电加速度计内部，没有调整部件， 因此增加了传感器的可靠性和可重复性，能够用于极其恶劣的环境下的测量【7 - a 。 电容式加速度传感器是利用电容原理，将被测加速度转换成电容的变化来进行加速 度测量。比较有代表性的产品是美国模拟器件( a d d 公司的a d x l 系列微机械电容式加 速度传感器，该传感器的结构为叉指式，如图1 3 所示。该传感器利用表面硅微机械加 工工艺与集成电路工艺相兼容的特点，将传感器与处理电路同时加工在一块芯片上，解 中北大学学位论文 决了电容量小、易受分布电容影响的问题。1 9 9 3 年投产以来，现在已经形成a d x l 系列 产品吼 图1 3a d 公司的加速度计系列芯片 谐振式传感器的输出特性是频率信号，不必经过a d 转换就可以方便地与微型计算 机连接，组成高精度的测控系统。同时谐振式传感器还具有无活动部件，机械结构牢固， 精度高，稳定性好，灵敏度高等特点，是一种很有前途和应用价值的传感器。直接输出频 率的谐振敏感元件有多种，如振动弦、振动梁、振动膜、振动筒等。图1 4 给出了北京大 学研制的音叉式双谐振梁加速度计结构图h 们。 图i 4 音叉式双谐振梁加速度计结构图 美国的c a u e n c h 和s t a n d f o r d 等四家机构联合研制的电子隧道效应加速度计，如图 1 5 所示，它由压电悬臂梁、检测质量、金薄膜电极、隧道探针和控制电路等部分组成。 这种结构的主要问题是机械电气系统相互影响。为解决这一问题，新型双元件系统将检 测质量与敏感电路元件分开，隧道电流发生在悬臂梁与检测质量之间。它的分辨率可达 6 x l o 7g 恧，也可用来测量水下声波【1 1 - 1 3 。 4 中北大学学位论文 压电悬臀粱金膜电极 宽带悬臂粟 巨三隶刍 检测质量隧廷探针悬甓梁变形电极 变形电极 b 双粲隧道型 图1 5 电子隧道加速度计 热对流加速度计包含一个密闭的腔体，腔体中充有流体，其中有一个加热元件把 腔体中加热元件周围的流体加热，加热后的流体发生膨胀而密度下降，在重力的作用下 上升，周围相对冷的流体填补到空位置上，这样反复循环而造成热对流传导。器件的工作 原理如图1 6 所示1 4 】，图( a ) 和( b ) 分别表示敏感方向无加速度和有加速度时加热器周围 的气流图、等温线图和温度梯度图。敏感方向无加速度时，腔体内的加热气体只在重力 加速度的作用下发生对流，加热器水平两边相等位置上的温度相等，两个温度传感器的 输出相等；敏感方向有加速度时，腔体内的气体在重力加速度和外加速度的联合作用下 对流，加热器水平两边相等位置上出现温度差，两个温度传感器的输出就产生差异。若两 个温度传感器采用热敏电阻，可与外接的两个参考电阻构成电阻电桥，这样电桥的外界 的加速度信号就可以转化为输出电压信号： ( a ) 敏感方向无加速度时 ( b ) 敏感方向有加速度时 图1 6 热对流加速度计工作原理示意图 中北大学学位论文 1 。1 2 电容式加速度计的国内外概况 电容式加速度计的研制最早可见于c o l ，采用扭转差分电容结构，表面微机电加 工工艺，采用分立检测电路，陶瓷封装，该种结构的器件已商业化，生产厂家有：w a ， i s s a q u a h 的s i l i c o nd e s i n g s ，i n c 、f o r dm i c r o e l e c 咖i c si n c 。商业器件带有分立接口集 成电路( i c ) ，用来提供正比于加速度的脉冲输出【j 5 】。国外加速度计最成功的例子是美 国a d 公司的a d x l - 5 0 系列力平衡电容式加速度计【1 6 1 ，如图1 7 所示，该器件量程 为5 0 9 ，采用t o i o o i c 标准i c 封装。包含一个有微机电多晶硅悬浮梳状结构与完 整的片上双极m o s 信号调节电路，质量块移动的距离不超过1 0 h m 。该种传感器针对 汽车气囊设计，并已获得大量应用。 图1 7 a n a l o gd e v i c e s 公司的a d x l 5 0 型 目前，休斯公司正在研究特别要求的高灵敏度、高过载能力和高g 值测量的微型 加速度传感器研究。d r a p e r 正在进行用于惯导和武器装备的高灵敏度、高分辨率的微 型加速度传感器的研究。其中，利用d r i e 等先进技术研制出的加速度传感器精度达 到0 1 m g ，已经用于美国海军的e x - 1 7 1 增程制导炮弹【l ”。 清华大学于1 9 9 9 年研制成功叉指状电容式硅微加速度计；北京大学的硅微电容伺 6 中北大学学位论文 服加速度传感器灵敏度为3 v g 。河北半导体研究所于2 0 0 2 年研制的梳齿驱动硅微电 容式加速度传感器，采用正面释放体硅工艺，其非线性度为o 2 ，带宽l k h z ，灵敏 度为2 0 0 m v g 。中国工程物理研究院电子工程研究所传感器研究中心在“九五”末研 制出最高量程达6 0 9 的“叉指式静电饲服微加速度计”【l 町。 国内的电容式加速度计表头加工工艺己基本成熟，但处理电路一般采用分立元件 来实现，影响了其测试精度。 1 1 3 隧道式加速度计的国内外概况 m e m s 隧道式加速度计由于其潜在的高性能和广阔的应用需求，一直是研究的热 点。第一个力平衡式隧道效应加速度计产生于美国n a s a 旗下的j p l 实验室。在j p l 的设计中，隧道电流的两极距离为l o 埃，由上下两片硅片构成，采用m e m s 工艺加工。 随后，美国s t a n f o r d 大学在n a s a 资助下为水下潜艇探测和太空机器人惯性控制而继续 进行了该研究，探测精度已经达到了l u g ，而正朝着0 0 l u g 努力。 图l8j p l 和斯坦福大学的隧道式加速度计结构图0 1 9 1 7 中北大学学位论文 m i c h i g a n 大学对隧道式自n 速度计也做了大量的研究。所设计的隧道式加速度计的 结构图，采用片上键和工艺进行制备，可实现大批量生产。m i c h i g a n 大学所做的研究 工作主要是针对j p l 和斯坦福大学前期研究中的弱点，即驱动电压大、手动粘合单片 封装。在结构设计上，提出了降低驱动电压、兼顾其他性能的设计且标【冽。 m i t 研究的隧道电流式加速度计采用体硅工艺加工，反馈控制电路和敏感器件经过 二次集成封装在一个标准的i c 基座上，其量程为5 9 ，频率响应为0 1 0 k h z ，抗冲击1 0 0 9 ， 电极尖距离的变化从5 5 埃到8 5 埃，遗憾的是，其线性度并不是很好。仅为0 1 9 6 。 c o m c l l 大学采用s c r e a m 工艺制各了横向的隧道加速度计，图1 9 所示为质量块 和隧尖的s e m 照片，制备的加速度计分辨率较高【2 ”。h u g h e sr e s e a r c hl a b o r a t o r y 则采 用表面工艺制各了量程达1 0 0 0 0 9 的高量程隧道加速度计。 图1 9 质量块和集成隧尖的s e m 照片 美国明尼苏达大学研制了一种新型的基于高分子聚合物的隧道式加速度计嘲，并设 计了其结构、加工工艺与测试方法，验证了隧道效应，并期望在很多领域应用。图1 1 0 为基于聚合物的隧道式加速度计的剖面图。 图1 1 0 基于聚合物的隧道式加速度计的剖面图 8 中北大学学位论文 不同单位的隧道式加速度计性能指标比较如表1 2 所示。 表l j2 不同隧道式加速度计的比较【1 9 铷 m i n n e s o t as t a n d f o r d m i c h i g a nh u g e s c o m e l l 性能 u n i v e r s i t yu n l v e r s i t yu n i v e r s i t y r e s e a r c hl a b u n i v e r s i t y 敏感类型纵向纵向纵向纵向横向 结构膜悬臂梁悬臂梁 悬臂梁 梳齿 加工基于聚合物体硅体硅体硅表面硅 谐振频率1 3 3 h z1 0 0 h z6 4 0 h z7 1 k h z4 6 k h z 隧道势垒 0 1 6 8 5 e vo 2 1 2 e v0 3 6 8 e v0 0 5 - 0 2 e v0 0 0 6 e v 高度 分辨率 0 2 5 蚓丽0 4 倒磊0 1 m g d - 面8 5 g , - 酝2 0 e 矿4 - 酝 动态范围1 5 m go - l i n g- 2 0 t o l o m g o v e r1 0 4 9 灵敏度 2 6 v g4 4 v g1 3 3 m v g7 9 m v g0 2 3 m v g 带宽 6 3 k h z1 5 k h z2 k h z5 0 0 h z 4 6 k h z 我国清华大学、东南大学、信息产业部十三所、北京大学等单位也曾作过m e m s 隧道传感器的研究。清华大学设计和制备了基于表面工艺的纵向隧道式加速度计并研究 了采用l a b v i e w 软件对隧道加速度计输出信号进行处理的方法1 2 5 - 2 6 ；东南大学利用浓硼 自停止腐蚀工艺设计和制备了扭摆式隧道加速度计伫7 - 2 9 1 ；信息产业部十三所利用浓硼扩 散自停止腐蚀工艺制备了三明治结构的微型隧道式加速度计，完成了隧道加速度计的闭 环测试1 3 0 】；北京大学基于硅玻璃键合深刻蚀释放工艺的扩展工艺，加工出了微型隧道加 速度计。采用h p 4 1 4 5 b 半导体分析仪在大气环境下对所加工的器件进行了开环测试， 验证了隧道电流的存在以及隧道间隙与隧道电流之间的指数关系。实验结果外推出的隧 道势垒的范围为1 1 8 2 2 1 7 7 e v 。大部分器件的开启电压在1 4 1 6 v 之间。在一1 ，0 和 + l g 三种状态下对开启电压分别进行了测试，得到加速度计的灵敏度约为8 7 m v g 3 1 - 3 3 。 图1 1 1 为北京大学隧道式加速度计的加工版图。 9 中北大学学位论文 图1 1 l 隧道式加速度计的加工过程 1 2 硅微传感器微弱信号检测技术 1 2 ，1 微弱信号检测技术概述【3 4 3 6 】 随着科学技术的发展，被噪声掩盖的各种微弱信号的检测( 如弱光、小位移、微振 动、微应变、微温差、弱磁、微电流、低电平电压等) 越来越受到人们的重视，因而逐 渐形成微弱信号检测( w e a ks i g n a ld e t e c t i o n ，简称w s d ) 这门新兴的分支技术学科，应 用范围遍及光、电、磁、声、热、生物、力学、地质、环保、医学、激光、材料等领域。 微弱信号检测技术是采用电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原 因和规律，研究被测信号的特点与相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信号。微弱信号 检测的目的是从强噪声中提取有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出 信号的信噪比。对微弱信号检测理论的研究，探索新的微弱信号检测方法，研制新的微 弱信号检测设备是目前检测技术领域的一个热点。 检测有用微弱信号的困难并不在于信号的微小，而主要在于信号的不干净，被噪声 污染了、淹没了。所以将有用信号从强背景噪声下检测出来的关键是设法抑制噪声。提 高信号检测灵敏度或抑制、降低噪声的基本方法有二： ( 1 ) 从传感器及放大器入手，或降低它们的固有噪声水平，或研制和设计低噪声 1 0 中北大学学位论文 放大器，例如对直流信号采用斩波稳零运算放大器( 如f 7 6 5 0 ) ，对交流信号采用o p 系 列运算放大器等； ( 2 ) 分析噪声产生的原因和规律，以及被测信号的特征，采用适当的技术手段和 方法，把有用信号从噪声中提取出来，即研究其检测方法。 除噪声外。信号通道中还可能存在干扰。干扰与噪声有本质区别。噪声由一系列随 机电压组成；而干扰通常都有外界的干扰源，有些为周期性的，如工频干扰、同频干扰 等，有些为瞬时的，如冲击电压、电或磁的干扰等。干扰对微弱信号的检测同样是有害 的，但可以根据干扰源的不同特点，采取相应措施加以消除。 1 2 2 硅微传感器减小系统噪声的措旋【3 7 - 3 9 1 一般硅微传感器输出的都是模拟信号，而且这一信号非常微弱，例如电容式硅微加 速度计中，电容变化量很小，通常在l o 。5 f 左右，且受温度、杂散电容、电磁干扰等的 严重影响，检测这一电容信号并将其转换成电压信号输出的测试电路的实现难度非常 大。事实上，目前在国内外硅微机械加速度计的研制过程中，传感器输出的微弱信号的 检测一直是困扰研究人员的突出问题。 对于我们所研究的微器件，尺寸微小是其基本特征，由于微尺寸效应，导致微传感 器的输出量衰减到微弱信号级，如运动位移、振幅及变形4 , n 亚t u n 和n l n 量级。将他们 变换成可供接受和处理的电信息时，相应的电压量小到h v 、亚p v 乃至n v ，电流量小 到n a ，电容量小到( 1 0 “5 口1 0 1 8 ) f 。由于微机电装置产生的输出信号如此微小，任 何放大电路在此情况下都存在背景噪声。为了把如此微弱的有用信号从强噪声背景下提 取出来，从设计上考虑，一般采取以下措施： 1 采用调制解调型前置放大电路 对于调制解调型微机械加速度计，解调器之前的低频电路噪声不会对有效信号造成 影响，故噪声可以通过调制、解调得以抑制。所以，减小解调后的信号的放大倍数，使 系统的增益主要集中在解调器之前，可以减小整个系统的低频噪声。同时应注意载波高 度稳定。对于解调器之后的电路，由于工作的频段和低频噪声的频段相同而很难消除。 中北大学学位论文 2 滤波处理 在大部分检测仪器中都要对模拟信号进行滤波处理，有的滤波是为了隔离直流分 量，有的滤波是为了改善信号波形低频段的噪声、1 ，噪声和缓慢漂移，包括时自j 漂移 和温度漂移。 3 采取屏蔽措施 在布线的过程中要注意运算放大器输入端的屏蔽。通常在电路板的两面都用引线将 两个输入脚包起来，接到合适的屏蔽电位上，以减小经运算放大器输入电容溜走的漏电 流。整个加速度计电路需要置于电磁屏蔽的密封中，以尽可能地减小外界的干扰。 饔交电源滤波 在电源线和地线之问接入去耦电容，可以减小电路中有电源线带入的干扰。 5 设计低噪声的静置差动放大电路 由于微机械加速度计的信号十分微弱，前置放大电路是非常重要的，应采用噪声极 微弱的对管组成前置差动放大电路。 6 采用集成电路 对于微弱信号，很容易受分布电容以及外界强信号的干扰，因此将加速度计整个电 路集成，势必有利于噪声的减小和有用信号的拾取。 7 增大敏感质量 检测质量越大，它受分子运动的影响就越小，机械噪声也就越小。 8 适当真空封装 将微机械加速度计适当抽真空加以封装，可有效减小阻尼，增加敏感元件的q 值， 进而减小机械噪声。 9 从反馈补偿和闭环控制系统角度考虑 为了把某种幅度较小的被测量检测出来，一般都要对其进行变换和放大，使其以人 们能够感知的方式呈现出来。而变换和放大的过程不可避免地会引入一些干扰噪声，影 响输出指示的信噪比和输出精度。反馈补偿法能有效地减小这些干扰噪声的不利影响。 对于输入或干扰引起的误差，可以从闭环控制角度考虑进行抑制。 中北大学学位论文 1 3 集成电路概述i 抛。1 集成电路是指组成电路的有源器件、无源元件及其互连线一起制作在半导体衬底上 或绝缘基片上，形成结构上紧密联系的、内部相关的整体电子电路。它可分为半导体集 成电路、膜集成电路、混合集成电路三个主要分支。 1 3 1 半导体集成电路 半导体集成电路是指用外延、氧化、光刻、扩散以及离于注入等半导体工艺将电子 元器件一起制作在半导体衬底上，并用p n 结或介质生长法进行隔离，用金属蒸镀进行 互连所构成的集成电路。 1 3 2 膜集成电路 膜集成电路即指构成电路的电子元器件，以膜的形式淀积在绝缘基片上所形成的全 膜化电路，它又可分为厚膜集成电路和薄膜集成电路两类。 a 厚膜集成电路 厚膜集成电路是指采用丝网漏印、高温烧结成膜、等离子喷涂等厚膜技术，将组成 电路的电子元器件( 导电带、电阻、电容、电感，二极管、晶体管等) 以膜的形式制作在 绝缘基片上所构成的集成电路。因为厚膜元器件的膜厚一般为几微米至几十微米，与薄 膜元器件相比，厚度较厚，因此称为厚膜集成电路。 b 薄膜集成电路 薄膜集成电路是指用真空蒸发、溅射、光刻为基本工艺的薄膜技术，将组成电路的 电子元器件，以膜的形式制作在绝缘基片上所构成的集成电路。由于薄膜元器件的膜厚 一般为1 微米以下，相比之下较薄，故称为薄膜集成电路。 1 3 3 混合集成电路 中北大学学位论文 虽然厚、薄膜技术在制造无源元件方面已十分成熟，但迄今为止，仍不能大量生产 出质量稳定的有源器件，因此全膜化问题，无论厚膜还是薄膜均未真正解决。全膜化的 膜集成电路尚需解决许多关键技术，改进性能，提高质量，降低价格，才能付诸实用。 另一方面，半导体技术在有源器件制造方面虽已非常成熟，然而至今尚不能制造出性能 优良的精密无源元件。因此这两者的优点结合起来形成的混合集成电路就能在很多方面 满足电子设备的需要。这就是近年来混合集成电路在广阔范围内仍在不断发展和日益完 善的重要原因。 综上所述，混合集成电路就是采用混合技术制造的集成电路。它是将膜集成技术制 造的无源元件与半导体技术制造的有源器件( 包括半导体集成电路芯片) 采用灵活的组 装技术组装在绝缘基片( 也可以是半导体衬底上) 上所形成的集成电路。 1 3 4 三种集成电路的特点及比较 半导体、薄膜和厚膜集成电路之间的比较如表1 3 所示1 4 2 】：下面分别介绍其优缺点。 表1 3 半导体电路、薄膜电路、厚膜电路的特点比较 半导体电路薄膜电路厚膜电路 电路设计选择和设计的自由度受选择和设计的自由度大， 选择和设计的自由度大， 难易程度限，修改设计困难修改设计容易修改设计非常容易 试制周期约三个月约2 0 天约l o 天 性能比分立元件稍差，寄 性能比分立元件稍差，寄 高频、高速生效应大，不适于微波应 同左，微波应用比薄膜 生效应减小，适于微波应 性能用增益带宽乘积1 0 0 删z差，增益带宽积4 0 0 删z 用，增益带宽积1 0 0 0 i h z 以上 大批量生产成本低，不宜 生产成本较高低 小量生产 数字电路，脉冲电路，模阻值较高精度很高的电高阻值、高精密电路，高 适用电路 拟电路，差动放大器有源路，超高频电路，模拟电压、大功率电路模拟电 1 4 中北大学学位论文 1 4 论文的主要工作 本论文主要对目前微加速度计研究的热点电容式加速度计和隧道式加速度计， 设计检测电路，与电容式和隧道式加速度计表头进行了联调和测试，并进行标定。为减 小体积，提高电容式加速度计的检测精度，通过厚膜混合集成工艺，将检测电路和电容 式加速度计进行了集成。主要的工作有： 1 大量的收集了国内外微机械加速度传感器的发展及现状的相关资料，并总结出了目 前主要的硅微机械加速度传感器的工作原理及技术指标以及目前发展的趋势： 2 针对目前国内研究的薄弱环节，结合微弱信号检测的知识，从电路设计和增加集成 度两个方面来提高加速度计的检测精度。 3 。对目前研究的热点电容式和隧道式加速度计，进行了较为系统的研究，在所设 计的检测电路的基础上，进行电路测试和系统测试，并进行标定。 4 在分析现有集成电路优缺点的基础上，选择了厚膜混合集成对电容式加速度计和后 续处理电路进行了集成，并进行了功能测试。 本论文的安排如下： 第一章：绪论。对微惯性加速度计及其国内外发展动态进行了初步论述。重点介绍 了目前研究的侧重点电容式和隧道式加速度计的国内外的研究现状进行了概述，重 点分析了我国与国外还存在差距的方面。对m e m s 系统微弱信号检测进行了概述，提 出了提高系统检测精度的一般原则；对现有的集成电路进行分类论述，并在分析其优缺 点的基础上选择厚膜混合集成来提高检测精度。 第二章：硅微电容式加速度计检测技术研究。在本章中，对电容式加速度计的检测 技术进行了概述。在基于检测原理的基础上，结合梳齿式加速度计表头的优点，在分析 系统噪声来源的基础上，设计梳齿式电容加速度计的检测电路，为保证其线性度和提高 量程，采用了闭环反馈控制电路。对电路进行了性能测试，其线性度较好。 第三章：隧道式加速度计检测技术研究。在本章中，对隧道式加速度计的检测原理 中北大学学位论文 隧道效应，进行了概述，设计了闭环检测电路来检测隧道式加速度计，势对三轴隧 道式加速度计进行了线性度测试。 第四章：电容式、隧道式加速度传感器的测试。将所设计的检测电路应用于电容式 加速度计表头，并进行系统的静态线性度、噪声测试及动态噪声、频谱测试。对隧道式 加速度进行开环测试，通过测试，反映表头对外围检测电路精度的要求非常之高。对系 统进行s i m u l i n k 仿真来指导电路设计中参数的设定。所设计的电路应用于北京大学 所加工的隧道式加速度计，进行了噪声测试，并对真空封装的隧道式加速度计进行p i d 设计及仿真。 第五章：厚膜混合集成电容式加速度计的制作。对厚膜混合集成电路所选用的元器 件和材料进行了详细的论述，并对工艺过程及其可能存在的问题进行了分析。并对集成 后的电容式加速度传感器进行了功能测试。 1 6 中北大学学位论文 2 硅微电容式加速度计检测技术研究 2 1 电容式加速度计的工作原理 有物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容为 c = 等( 2 1 ) a 式中：占二一两个极板间介质的介电常数，无量纲； s 两个极板相对有效面积，n 1 2 ； d 两个极板间的距离，m 。 有上式可知，改变电容c 的方法有三种，其一为改变介质的介电常数占；其二为改 变电容的有效面积s ；其三为改变两个极板间的距离d 。从而得到电参数的输出为电容 值的增量a c ，这就组成了电容式传感器。 根据上述原理，在应用中，电容式传感器可以有三种类型即变极距型，变面积 型和变介电常数型【4 3 1 。 电容式加速度计采用的是差分变极距型，图2 1 为其检测原理图。即为电容式加速 度计的可动质量块与极板问关系的基本原理图，上下极板为固定齿，中间可动质量块为 电容的动齿。上下两个极板与中间质量块形成差分电容 4 4 1 。 v h 鱼三堕上审 二三 t 喜 蕊丁g ( a ) 西= d o + z l d a - g 雩；习萧丁。 图2 1 可动质量块与差动电容极板闯关系及其等效图 ( 口) 加速度为零；( 6 ) 加速度不为零时质量块发生偏移； ( c ) 等效电路图 加速度传感器在加速度口的作用下，敏感质量块电容极板相对于壳体位移发生改变 d ，则有表达式： 1 7 中北大学学位论文 f = m 口= c a d( 2 2 ) 其中k 为支撑质量块悬臂梁的弹性系数。 当其中电容器c 的电容随位移a d 的减小而增大时，另一个电容器c ：的电容则随着 d 的增大而减小。 c l2 和e o a = c o 壶 ( 2 3 ) 蟊 c 2 2 硒s o a = c o 走 ( 2 4 ) 矗 而对于硅微电容式传感器，由于其低量程、高精度的特点，电容的变化量相对于检 测电容约在1 0 。1 0 “的量级，即可以满足m d l 的要求，故电容变化量为； c = q c 2 = 2 c 0 等 ( 2 5 ) 从上式可知，电容的变化量与间距变化量成线性交化。 2 2 系统的噪声 对于小信号而言，系统的噪声就表征了系统的最小分辨率。系统的噪声主要来源于 机械结构的机械噪声、热噪声和来自测量电路的噪声。其引入噪声的途径如图2 2 所示 【4 5 l ： 布朗噪声 电子噪声 图2 2 系统引入噪声的方框图 2 2 1 机械敏感部分的噪声阳 1 8 中北大学学位论文 机械热噪声主要是有系统周围空气的布朗运动引起的，即布朗噪声，器件的最小探 测加速度即分辨率有机械热噪声决定。 布朗噪声力的功率谱密度为： 严= k 绍 ( 2 6 ) 式中如为玻尔兹曼常数( 1 3 8 x 1 0 。j 瓜) ，t 为绝对温度，b 为阻尼力系数。 对于电容式传感器其机械热噪声的等效加速度谱密度为 肚4 k 川b t b ( m s 2 ) 2 h z - 亿， m 2 l 。 式中，m 为振子质量，则等效噪声加速度为 = 4 肘k , f 硒t bl m 尼s 2 唾p 若设计的加速度传感器吖= 0 7 4 x l 矿k g ，阻尼力系数b = 1 0 8 6 1 0 - 3 ，则等效噪声 加速度a n = 1 7 9 1 x g x - 面，所以从设计角度来说至少可以分辨1 7 9 i x g 。 2 2 2 检测电路部分的噪声 1 电容式加速度计的噪声模型【4 7 】 图2 3 传感器检测电容噪声模型 c p l 、c p 2 为输入和输出端寄生电容，c p 3 为传感器检测电容的并行寄生电容，p p s 为串联寄生电阻，r p p 为并联寄生电阻。 1 9 中北大学学位论文 对传感器电容的测量，必须尽量减小寄生电容和寄生电阻的影响。我们在设计检测 电路时，充分考虑到了这点。 2 检测电路噪声 由于所测对象本身为微弱量，受各种不同传感器灵敏度约限制，所得到的电量还是 小信号。在信号检测的电路设计中，一般信号都需要经过一级或多级的前置放大。此时 的信号中所包含的噪声包括两个方面：一是来自电路检测系统的外部，例如市电干扰、 温度涨落、以及宇宙射线等。克服这类噪声的办法是采用严密的电磁屏蔽；二是由于蔚 置放大所带来的噪声，这类噪声不能通过屏蔽的办法克服，只能通过选用性能优越的前 置放大器以及低噪声电路来使噪声的影响最小，其中性能优越的低噪声前置放大器是其 中的关键。 2 3 检测电路设计的理论基础 2 3 1 偏置电压和驱动电压极性的选取 为测量电容式传感器的电容变化，通常需要一定形式的电压驱动信号，电压驱动信 号产生的静电力作用在移动电极上，干扰器件的测量 4 9 - 4 9 1 。进而影响到器件的精度。此 时，在电容式加速度计运动极板上的作用力主要有四种：被测物理量产生的作用力、支 撑结构的弹性恢复力、阻尼力和驱动信号的静电力。 p u e r s 和l a p a d a t u 5 0 l 发现单边驱动信号产生的静电力在测量过程中会导致偏移误 差，如果超过临界电压，会使敏感结构失效。l i i ”】分析了开环电容式加速度计的静电力， 提及如果没有反馈电压，直流偏置电压会有正反馈效应，加速度计的灵敏度和使用范围 可以通过改变偏黄电压来调整。但是没有分析在开环模式下，偏置电压极性对传感器的 影响，b a o t 蛇1 分析了静电力在三种情况下对电容式传感器测量的影响：单边驱动、双边 驱动、有电子机械反馈的双边驱动，并讨论了驱动信号对输出偏移、灵敏度、可动电极 和固定电极问吸合的影响。 中北大学学位论文 图2 4 双边驱动加速厦计不恿圈 上图所示为一双边驱动结构。不考虑阻尼情况下，当运动极板因惯性力而产生较小 位移x 时，质量块的力平衡方程为： e + 小口一h = 0 ( 2 9 ) 式中e 为静电驱动力，m a 为惯性力，k 为弹簧的刚度系数。运动极板两端的电容大小分 别为：印c o x + 。石，c 2 - c o x o 石， x o 为电容初始间距。输出电压为： 铂丧c ，= 孚 弦 如果k = 一圪= e ，则输出电压为暑 乏e ，在小位移情况下有： c - 一g = c o ( 赤一去 = c o 坐x 0 2 _ 血2 * _ 2 c oa 而x 亿 所以在小振动情况下，输出电压为：。一垒圪，输出电压和运动极板的位移成线 性关系，这也是电容式传感器检测的原理 通常情况下，驱动电压由交流分量和直流分量组成，信号组成方式为ks i n w t ， 作用在运