高性能MEMS惯性器件技术

本书从MEMS惯性器件研究和设计的角度，系统论述了高性能MEMS惯性器件的工作原理、误差机理、设计与工艺技术等方面的理论、方法和关键技术。全书共6章，主要包括MEMS陀螺仪和MEMS加速度计的基本原理、MEMS陀螺仪典型结构及误差机理、高性能MEMS陀螺仪关键技术、MEMS加速度计典型结构及误差机理、高性能MEMS加速度计关键技术以及高性能MEMS惯性器件工艺技术等内容。本书注重研究内容的系统性、创新性和实用性，研究内容、理论方法与工程实践紧密结合，可供从事MEMS惯性器件、惯性导航与控制系统技术研究和产品研制的科技人员和高等院校相关专业师生参考。

第1章 概 述 1 1.1 微小型惯性器件技术发展概况 1 1.1.1 惯性器件技术概述 1 1.1.2 微小型陀螺仪技术发展概况 2 1.1.3 微小型加速度计技术发展概况 19 1.1.4 高性能 MEMS惯性器件的主要特征 27 1.2 MEMS惯性器件关键技术 29 1.2.1 MEMS惯性器件结构设计技术 29 1.2.2 MEMS惯性器件工艺制造技术 32 1.2.3 MEMS惯性器件专用集成电路技术 36 1.3 MEMS惯性器件性能指标体系 39 1.3.1 常规物理特性指标 40 1.3.2 静态精度指标 40 1.3.3 动态性能指标 42 1.3.4 环境适应性指标 43 1.4 MEMS惯性器件发展及应用趋势 44 第2章 MEMS陀螺仪典型结构及误差机理 47 2.1 MEMS陀螺仪工作原理 47 2.1.1 哥氏效应原理 47 2.1.2 MEMS陀螺仪动力学方程 49 2.1.3 静电驱动原理 51 2.1.4 电容检测原理 52高性能 MEM技术 2.2 MEMS陀螺仪的常见典型结构形式 53 2.2.1 线振动式 MEMS陀螺仪 53 2.2.2 角振动式 MEMS陀螺仪 66 2.2.3 振动环式 MEMS陀螺仪 69 2.3 MEMS陀螺仪典型结构设计 75 2.3.1 双质量块 MEMS陀螺仪典型结构设计 76 2.3.2 四质量块 MEMS陀螺仪典型结构设计 83 2.4 单片三轴 MEMS陀螺仪典型结构 87 2.4.1 单片三轴 MEMS陀螺仪概述 87 2.4.2 三轴敏感结构相对独立的结构方案 87 2.4.3 水平双轴敏感 +z 轴敏感的结构方案 88 2.4.4 三轴一体化设计方案 91 2.5 典型 MEMS陀螺仪误差机理分析 97 2.5.1 MEMS陀螺仪随机误差 98 2.5.2 MEMS陀螺仪正交耦合误差 101 2.5.3 MEMS陀螺仪同相耦合误差 104 2.5.4 MEMS陀螺仪g 敏感性误差 106 2.5.5 MEMS陀螺仪温度误差 106 2.5.6 MEMS陀螺仪力学环境误差 110 2.6 MEMS陀螺仪误差抑制方法 116 2.6.1 MEMS陀螺仪噪声抑制 117 2.6.2 MEMS陀螺仪正交误差抑制方法 118 2.6.3 MEMS陀螺仪温度误差抑制与补偿技术 121 2.6.4 MEMS陀螺仪非线性误差抑制技术 125 第3章 高性能 MEMS陀螺仪关键技术 127 3.1 高性能 MEMS陀螺仪驱动与信号检测技术 127 3.1.1 微小电容检测技术 127 3.1.2 MEMS陀螺仪驱动控制技术 131 3.1.3 MEMS陀螺仪解调检测技术 133 3.2 高性能 MEMS陀螺仪闭环控制技术 136 3.2.1 检测轴力平衡闭环技术 137 3.2.2 MEMS陀螺仪正交刚度校正技术 141 3.2.3 检测轴频率调谐技术 143 3.3 高性能 MEMS陀螺仪控制电路技术 146 3.3.1 MEMS陀螺仪 ASIC的主要功能构成 147 3.3.2 MEMS陀螺仪模拟驱动电路 148 3.3.3 MEMS陀螺仪模拟检测电路 149 3.3.4 MEMS陀螺仪数字控制电路 150 3.3.5 MEMS陀螺仪 ASIC中的其他重要模块 154 3.4 应用环境条件下高性能 MEMS陀螺仪精度提高技术 156 3.4.1 高性能 MEMS陀螺仪长期稳定性技术 156 3.4.2 温度环境条件下精度保持技术 158 3.4.3 振动冲击等力学环境下精度保持技术 162 3.5 应用条件下高性能 MEMS陀螺仪相关工程性能提升技术 164 3.5.1 高性能 MEMS陀螺仪量程设计 164 3.5.2 MEMS陀螺仪快速启动技术 166 3.5.3 MEMS陀螺仪带宽设计 171 3.6 高性能 MEMS陀螺仪相关测试技术 176 3.6.1 高性能 MEMS陀螺仪测试的特点 177 3.6.2 高性能 MEMS陀螺仪温度环境精度测试 177 3.6.3 陀螺仪力学环境特性测试 180 3.7 动态应用环境下典型高性能 MEMS陀螺仪性能提升技术 183 3.7.1 弹旋频率测量用大量程 MEMS陀螺仪性能提升技术 184 3.7.2 高速旋转导弹偏航 MEMS陀螺仪性能提升技术 191 第4章 MEMS加速度计典型结构及误差机理 198 4.1 MEMS加速度计工作原理 198 4.2 MEMS加速度计典型结构形式 199 4.2.1 “三明治”式 MEMS加速度计 199 4.2.2 梳齿式 MEMS加速度计 200 4.2.3 扭摆式 MEMS加速度计 202 4.2.4 谐振式 MEMS加速度计 203 4.3 典型 MEMS加速度计结构设计 205 4.3.1 “三明治”MEMS加速度计结构设计 205 4.3.2 梳齿式 MEMS加速度计结构设计 207 器件技术 4.3.3 扭摆式 MEMS加速度计结构设计 210 4.3.4 谐振式 MEMS加速度计结构设计 211 4.4 单片三轴 MEMS加速度计结构设计 218 4.4.1 单敏感质量结构 218 4.4.2 多敏感质量结构 220 4.5 MEMS加速度计误差机理分析 224 4.5.1 MEMS加速度计误差模型 224 4.5.2 MEMS加速度计的本征性误差 225 4.5.3 MEMS加速度计的环境因素误差 231 4.5.4 MEMS加速度计误差抑制方法 235 4.6 MEMS加速度计工程化需考虑的因素 238 4.6.1 结构设计及加工中的工程化考虑因素 238 4.6.2 电路设计中的工程化考虑因素 240 4.6.3 测试与补偿中的工程化考虑因素 240 第5章 高性能 MEMS加速度计关键技术 241 5.1 高性能 MEMS加速度计结构设计技术 241 5.1.1 高性能 MEMS加速度计综合精度提升技术 241 5.1.2 高性能 MEMS加速度计全温性能结构优化技术 247 5.1.3 高性能 MEMS加速度计抗高过载技术 250 5.2 高性能 MEMS加速度计控制系统 255 5.2.1 高性能 MEMS加速度计闭环控制系统模型 255 5.2.2 高性能 MEMS加速度计电学模型化技术 256 5.3 高性能 MEMS加速度计控制电路技术 259 5.3.1 高性能 MEMS加速度计闭环反馈控制技术 259 5.3.2 高性能 MEMS加速度计前端放大器低噪声技术 260 5.3.3 高性能 MEMS加速度计 PID电路设计 261 5.3.4 高性能 MEMS加速度计高压电荷泵设计 262 5.3.5 高性能 MEMS加速度计 ΣΔ接口电路技术 263 5.4 应用环境条件下高性能 MEMS加速度计精度提高技术 266 5.4.1 采用全硅结构对其温度性能的提升 266 5.4.2 加速度计应力对消结构设计 268 5.4.3 加速度计应用系统级的温度补偿 272 5.4.4 适度的老化试验 272 5.5 高性能 MEMS加速度计相关工程性能设计技术 275 5.5.1 宽频带应用领域高性能 MEMS加速度计带宽设计技术 275 5.5.2 高低温环境下高性能 MEMS加速度计性能提升技术 276 5.5.3 力学环境下高性能 MEMS加速度计性能提升技术 287 5.5.4 高性能 MEMS加速度计可靠性评估技术 292 5.6 高性能 MEMS加速度计相关测试技术 294 5.6.1 全温零偏稳定性及全温标度因数稳定性测试 294 5.6.2 全温变温输出稳定性及零偏温度滞环测试 296 5.6.3 全温度域稳定性及重复性测试 297 5.6.4 长期重复性测试 298 5.6.5 加速度计环境适应性测试 300 5.6.6 频带特性测试 303 5.6.7 空间环境适应性测试 304 5.6.8 高性能 MEMS加速度计在惯性测量组合振动条件下的性能测试 307 第6章 高性能 MEMS惯性器件工艺技术 309 6.1 MEMS惯性器件制造的主要工艺路线 309 6.1.1 表面硅加工技术 309 6.1.2 体硅加工技术 310 6.2 高性能 MEMS惯性器件制造中的单项基础工艺 313 6.2.1 光刻工艺 313 6.2.2 氧化工艺 315 6.2.3 薄膜沉积工艺 315 6.2.4 湿法腐蚀工艺 316 6.2.5 干法刻蚀工艺 318 6.2.6 晶圆键合工艺 323 6.3 高性能 MEMS惯性器件集成制造技术 329 6.3.1 MEMS芯片晶圆级封装制造技术 330 6.3.2 全硅晶圆级封装 “三明治”式加速度计集成制造技术 331 6.3.3 晶圆级真空封装 MEMS陀螺仪集成制造技术 336 6.3.4 单片多轴 MEMS惯性器件集成制造技术 337 6.4 高性能 MEMS惯性器件晶圆级真空封装关键工艺技术 339 MEMS惯性器件 6.4.1 预埋腔体SOI制造技术 340 6.4.2 Au Si共晶键合技术 349 6.4.3 吸气剂制备与应用技术 354 6.5 高性能 MEMS惯性器件芯片测试技术 361 6.5.1 MEMS芯片工艺过程测试 361 6.5.2 MEMS芯片综合测试 367 6.5.3 MEMS惯性器件芯片与 ASIC接口电路匹配性测试 370 6.6 高性能 MEMS惯性器件封装技术 371 6.6.1 MEMS器件封装的作用和主要形式 371 6.6.2 MEMS惯性器件晶圆级封装工艺 374 6.6.3 MEMS惯性器件单芯片封装工艺 375 6.6.4 MEMS惯性器件系统级封装工艺 377 6.7 关于高性能 MEMS惯性器件工艺技术的认识和体会 379 缩略语 380 参考文献 384