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压阻式微加速度计的误差机理分析

作　者: 毛海央
导　师: 张文栋
学　校: 中北大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 压阻式微加速度计固有频率阻尼误差残余应力冲击实验
分类号: TH824.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

基于MEMS工艺加工制作的压阻式微加速度计是微惯性测量系统的关键组成部分,具有体积小、重量轻、一致性好,结构、敏感原理和检测电路简单等突出优点。为了提高微惯性测量系统的测量精度,需要研究压阻式微加速度计的误差来源和误差产生机理。本文分析了压阻式微加速度计16个误差源的误差产生机理,并建立了包括工艺、环境温度和环境振动等的12个单项误差模型。为了验证单项误差模型,本文设计、加工了多个不同量程的三轴压阻式微加速度计,最后利用单项实验估算了微加速度计的单项误差,并通过冲击实验得到了压阻式微加速度计的总误差。本文将压阻式微加速度计等效为二阶单自由度振动系统,并建立了其数学模型;得到了四边八梁-质量块结构一阶固有频率的求解方法,推导了适用于压阻式微加速度计的压膜阻尼计算公式,并通过高低量程不同微加速度计实例求解了数学模型。在求解数学模型的基础上,本文分析了压阻式微加速度计的11项工艺误差产生机理,并建立了包括材料厚度偏差、材料力学稳定性、压敏电阻放置位置、压敏电阻阻值偏差、第一次背腔腐蚀精度、凸角补偿精度和玻璃刻蚀精度等9个单项误差模型。针对环境温度、环境振动条件对微加速度计测试、应用的影响,本文分析了压阻式微加速度计的另3项误差产生机理,并建立了包括温度系数、压阻系数和振动等3个单项误差模型;此外,针对所设计的压阻式微加速度计,本文讨论了其温度补偿方法。为了验证单项误差模型,本文设计并加工了多种量程的压阻式微加速度计。通过单项实验测试了5个由工艺引起的误差源偏差范围,并结合单项误差模型得到了微加速度计的5个单项误差。最后,通过冲击实验得到了量程为1000~5万g微加速度计的综合误差。本文所建立的微加速度计数学模型以及各个单项误差数学模型可以应用于不同参数的梁-质量块结构压阻式微加速度计,具有普遍适用性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题研究意义  9-10
  1.2 研究现状概述  10-15
    1.2.1 压阻式微加速度计的国内外研究现状  10-14
    1.2.2 加速度计误差与标定方法的国内外研究现状  14-15
  1.3 主要研究工作  15-16
第2章压阻式微加速度计系统的分析与求解  16-37
  2.1 压阻式微加速度计系统的分析  16-25
    2.1.1 压阻式微加速度计的数学模型  16-17
    2.1.2 四边八梁-质量块结构的挠度与应力  17-19
    2.1.3 四边八梁-质量块结构固有频率的求解  19-21
    2.1.4 压阻式微加速度计中的平板阻尼  21-25
  2.2 压阻式微加速度计系统的求解  25-35
    2.2.1 正弦载荷下系统的输出  25-28
    2.2.2 低量程压阻式微加速度计实例的求解  28-32
    2.2.3 矩形冲击载荷下系统的输出  32-33
    2.2.4 高量程压阻式微加速度计实例的求解  33-35
  2.4 本章小结  35-37
第3章压阻式微加速度计的工艺误差机理分析  37-75
  3.1 材料的选择对微加速度计测量精度的影响  37-50
    3.1.1 不同类型硅材料的影响  37-41
    3.1.2 材料厚度偏差的单项误差模型  41-48
    3.1.3 材料力学性能稳定性的单项误差模型  48-50
  3.2 压敏电阻的设计偏差对微加速度计测量精度的影响  50-63
    3.2.1 不同结构的压敏电阻  50-52
    3.2.2 不同结构的压敏电阻对微加速度计性能的影响  52-57
    3.2.3 压敏电阻放置位置的单项误差模型  57-59
    3.2.4 压敏电阻阻值的单项误差模型  59-63
  3.3 主要工艺步骤对微加速度计测量精度的影响  63-74
    3.3.1 第一次背腔腐蚀精度的单项误差模型  63-66
    3.3.2 凸角补偿精度的单项误差模型  66-69
    3.3.3 玻璃刻蚀精度的单项误差模型  69-71
    3.3.4 梁尺寸偏差对微加速度计测量精度的影响  71-74
  3.4 本章小结  74-75
第4章压阻式微加速度计的环境条件误差机理分析  75-83
  4.1 压阻式微加速度计的环境温度误差  75-79
    4.1.1 温度对压敏电阻的影响  75-76
    4.1.2 微加速度计的温度单项误差模型  76-78
    4.1.3 温度补偿方法  78-79
  4.2 压阻式微加速度计的环境振动误差  79-81
    4.2.1 环境振动对微加速度计测量精度的影响  79-80
    4.2.2 微加速度计的振动单项误差模型  80-81
  4.4 本章小结  81-83
第5章压阻式微加速度计误差模型的验证  83-107
  5.1 高低量程三轴压阻式微加速度计的结构设计  83-88
    5.1.1 结构参数的确定  83-86
    5.1.2 性能仿真与分析  86-87
    5.1.3 压敏电阻与电桥连接  87-88
  5.2 高低量程压阻式三轴微加速度计的工艺设计  88-94
    5.2.1 工艺流程  88-91
    5.2.2 版图设计  91-94
  5.3 高低量程三轴压阻式微加速度计的加工与制作  94-97
  5.4 高低量程三轴压阻式微加速度计的测试  97-106
    5.4.1 单项误差模型的估算实验  97-103
    5.4.2 综合误差的验证实验  103-106
  5.5 本章小结  106-107
第6章总结  107-110
  研究工作总结  107-108
  本文的特色  108-109
  工作展望  109-110
参考文献  110-114
攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的成果  114-116
致谢  116

压阻式微加速度计的误差机理分析

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