硅硅键合电容式微加速度计及其抗冲击特性研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaogaojuanJUAN
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微加速度计是微惯性传感器中的典型器件之一,在军事装备和工业产品等社会生活的许多方面具有广阔的应用前景。然而,应用于高冲击环境下的微加速度计其抗冲击问题已经成为实际应用的瓶颈之一。  本文对两种结构三明治电容式微加速度计及其抗冲击特性进行了研究,一种微加速度计的量程为30g,具有完全对称地分布在质量块四周的双边16梁结构;另一种微加速度计的量程为5g,具有Z、X、Y三向冲击防护弹性梁的单边扭转型结构。针对不同强度的冲击环境,扭转结构微加速度计采用Z向两级冲击防护弹性梁的设计,在冲击加速度较小时刚度较小的一级冲击防护弹性梁发挥作用,在冲击加速度较大时,刚度较大的二级冲击防护弹性梁和一级冲击防护弹性梁共同发挥作用,该结构可以实现Z向两级的冲击防护。通过有限元优化分析,扭转结构微加速度计能够分别承受Z、X、Y三个方向10000g的脉冲冲击加速度。  16梁全对称微加速度计弹性梁-质量块敏感结构的制作采用深反应离子刻蚀(DRIE)技术和KOH各向异性腐蚀相结合的方法,在单片硅片上一次性形成全对称的弹性梁-质量块结构。扭转结构微加速度计弹性梁-质量块敏感结构及Z、X、Y三向冲击防护弹性梁的制作采用DRIE技术在单片硅片上一次性刻蚀形成。设计了两种结构微加速度计制作的工艺流程,并对其关键工艺进行了研究,制作出了两种结构微加速度计样品。  最后,对所研制的两种结构微加速度计进行了量程、灵敏度、抗冲击特性的测试。16梁全对称结构微加速度计的量程为30g、灵敏度为80.28mV/g,在经过Z向约10000g高冲击后仍能正常工作,零偏稳定性由冲击前的1.13mg变为1.17mg;扭转结构微加速度计的量程为5g,一个样品在经过Z向10769g高冲击后仍能正常工作,零偏稳定性由冲击前的0.90mg变为1.03mg。另一个样品在经过Z、X、Y三个方向约10000g高冲击后同样能正常工作,零偏稳定性由冲击前的0.64mg变为0.27mg。测试结果表明,本文设计并制作的两种结构微加速度计能够承受10000g的高冲击。
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