高性能MEMS慣性器件技術

第1章 概 述  1 
1.1 微小型慣性器件技術發(fā)展概況  1 
1.1.1 慣性器件技術概述  1 
1.1.2 微小型陀螺儀技術發(fā)展概況  2 
1.1.3 微小型加速度計技術發(fā)展概況  19 
1.1.4 高性能 MEMS慣性器件的主要特征  27 
1.2 MEMS慣性器件關鍵技術  29 
1.2.1 MEMS慣性器件結(jié)構(gòu)設計技術  29 
1.2.2 MEMS慣性器件工藝制造技術  32 
1.2.3 MEMS慣性器件專用集成電路技術  36 
1.3 MEMS慣性器件性能指標體系  39 
1.3.1 常規(guī)物理特性指標  40 
1.3.2 靜態(tài)精度指標  40 
1.3.3 動態(tài)性能指標  42 
1.3.4 環(huán)境適應性指標  43 
1.4 MEMS慣性器件發(fā)展及應用趨勢  44 
第2章 MEMS陀螺儀典型結(jié)構(gòu)及誤差機理 47 
2.1 MEMS陀螺儀工作原理  47 
2.1.1 哥氏效應原理  47 
2.1.2 MEMS陀螺儀動力學方程  49 
2.1.3 靜電驅(qū)動原理  51 
2.1.4 電容檢測原理  52高性能 MEM技術 
2.2 MEMS陀螺儀的常見典型結(jié)構(gòu)形式  53 
2.2.1 線振動式 MEMS陀螺儀  53 
2.2.2 角振動式 MEMS陀螺儀  66 
2.2.3 振動環(huán)式 MEMS陀螺儀  69 
2.3 MEMS陀螺儀典型結(jié)構(gòu)設計  75 
2.3.1 雙質(zhì)量塊 MEMS陀螺儀典型結(jié)構(gòu)設計  76 
2.3.2 四質(zhì)量塊 MEMS陀螺儀典型結(jié)構(gòu)設計  83 
2.4 單片三軸 MEMS陀螺儀典型結(jié)構(gòu)  87 
2.4.1 單片三軸 MEMS陀螺儀概述  87 
2.4.2 三軸敏感結(jié)構(gòu)相對獨立的結(jié)構(gòu)方案  87 
2.4.3 水平雙軸敏感 z 軸敏感的結(jié)構(gòu)方案  88 
2.4.4 三軸一體化設計方案  91 
2.5 典型 MEMS陀螺儀誤差機理分析  97 
2.5.1 MEMS陀螺儀隨機誤差  98 
2.5.2 MEMS陀螺儀正交耦合誤差  101 
2.5.3 MEMS陀螺儀同相耦合誤差  104 
2.5.4 MEMS陀螺儀g 敏感性誤差  106 
2.5.5 MEMS陀螺儀溫度誤差  106 
2.5.6 MEMS陀螺儀力學環(huán)境誤差  110 
2.6 MEMS陀螺儀誤差抑制方法  116 
2.6.1 MEMS陀螺儀噪聲抑制  117 
2.6.2 MEMS陀螺儀正交誤差抑制方法  118 
2.6.3 MEMS陀螺儀溫度誤差抑制與補償技術  121 
2.6.4 MEMS陀螺儀非線性誤差抑制技術  125 
第3章 高性能 MEMS陀螺儀關鍵技術  127 
3.1 高性能 MEMS陀螺儀驅(qū)動與信號檢測技術  127 
3.1.1 微小電容檢測技術  127 
3.1.2 MEMS陀螺儀驅(qū)動控制技術  131 
3.1.3 MEMS陀螺儀解調(diào)檢測技術  133 
3.2 高性能 MEMS陀螺儀閉環(huán)控制技術  136 
3.2.1 檢測軸力平衡閉環(huán)技術  137 
3.2.2 MEMS陀螺儀正交剛度校正技術  141 
3.2.3 檢測軸頻率調(diào)諧技術  143 
3.3 高性能 MEMS陀螺儀控制電路技術  146 
3.3.1 MEMS陀螺儀 ASIC的主要功能構(gòu)成  147 
3.3.2 MEMS陀螺儀模擬驅(qū)動電路  148 
3.3.3 MEMS陀螺儀模擬檢測電路  149 
3.3.4 MEMS陀螺儀數(shù)字控制電路  150 
3.3.5 MEMS陀螺儀 ASIC中的其他重要模塊  154 
3.4 應用環(huán)境條件下高性能 MEMS陀螺儀精度提高技術  156 
3.4.1 高性能 MEMS陀螺儀長期穩(wěn)定性技術  156 
3.4.2 溫度環(huán)境條件下精度保持技術  158 
3.4.3 振動沖擊等力學環(huán)境下精度保持技術  162 
3.5 應用條件下高性能 MEMS陀螺儀相關工程性能提升技術  164 
3.5.1 高性能 MEMS陀螺儀量程設計  164 
3.5.2 MEMS陀螺儀快速啟動技術  166 
3.5.3 MEMS陀螺儀帶寬設計  171 
3.6 高性能 MEMS陀螺儀相關測試技術  176 
3.6.1 高性能 MEMS陀螺儀測試的特點  177 
3.6.2 高性能 MEMS陀螺儀溫度環(huán)境精度測試  177 
3.6.3 陀螺儀力學環(huán)境特性測試  180 
3.7 動態(tài)應用環(huán)境下典型高性能 MEMS陀螺儀性能提升技術  183 
3.7.1 彈旋頻率測量用大量程 MEMS陀螺儀性能提升技術  184 
3.7.2 高速旋轉(zhuǎn)導彈偏航 MEMS陀螺儀性能提升技術  191 
第4章 MEMS加速度計典型結(jié)構(gòu)及誤差機理  198 
4.1 MEMS加速度計工作原理  198 
4.2 MEMS加速度計典型結(jié)構(gòu)形式  199 
4.2.1 “三明治”式 MEMS加速度計  199 
4.2.2 梳齒式 MEMS加速度計  200 
4.2.3 扭擺式 MEMS加速度計  202 
4.2.4 諧振式 MEMS加速度計  203 
4.3 典型 MEMS加速度計結(jié)構(gòu)設計  205 
4.3.1 “三明治”MEMS加速度計結(jié)構(gòu)設計  205 
4.3.2 梳齒式 MEMS加速度計結(jié)構(gòu)設計  207 器件技術 
4.3.3 扭擺式 MEMS加速度計結(jié)構(gòu)設計  210 
4.3.4 諧振式 MEMS加速度計結(jié)構(gòu)設計  211 
4.4 單片三軸 MEMS加速度計結(jié)構(gòu)設計  218 
4.4.1 單敏感質(zhì)量結(jié)構(gòu)  218 
4.4.2 多敏感質(zhì)量結(jié)構(gòu)  220 
4.5 MEMS加速度計誤差機理分析  224 
4.5.1 MEMS加速度計誤差模型  224 
4.5.2 MEMS加速度計的本征性誤差  225 
4.5.3 MEMS加速度計的環(huán)境因素誤差  231 
4.5.4 MEMS加速度計誤差抑制方法  235 
4.6 MEMS加速度計工程化需考慮的因素  238 
4.6.1 結(jié)構(gòu)設計及加工中的工程化考慮因素  238 
4.6.2 電路設計中的工程化考慮因素  240 
4.6.3 測試與補償中的工程化考慮因素  240 
第5章 高性能 MEMS加速度計關鍵技術  241 
5.1 高性能 MEMS加速度計結(jié)構(gòu)設計技術  241 
5.1.1 高性能 MEMS加速度計綜合精度提升技術  241 
5.1.2 高性能 MEMS加速度計全溫性能結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術  247 
5.1.3 高性能 MEMS加速度計抗高過載技術  250 
5.2 高性能 MEMS加速度計控制系統(tǒng)  255 
5.2.1 高性能 MEMS加速度計閉環(huán)控制系統(tǒng)模型  255 
5.2.2 高性能 MEMS加速度計電學模型化技術  256 
5.3 高性能 MEMS加速度計控制電路技術  259 
5.3.1 高性能 MEMS加速度計閉環(huán)反饋控制技術  259 
5.3.2 高性能 MEMS加速度計前端放大器低噪聲技術  260 
5.3.3 高性能 MEMS加速度計 PID電路設計 261 
5.3.4 高性能 MEMS加速度計高壓電荷泵設計  262 
5.3.5 高性能 MEMS加速度計 ΣΔ接口電路技術  263 
5.4 應用環(huán)境條件下高性能 MEMS加速度計精度提高技術  266 
5.4.1 采用全硅結(jié)構(gòu)對其溫度性能的提升  266 
5.4.2 加速度計應力對消結(jié)構(gòu)設計  268 
5.4.3 加速度計應用系統(tǒng)級的溫度補償  272 
5.4.4 適度的老化試驗  272 
5.5 高性能 MEMS加速度計相關工程性能設計技術  275 
5.5.1 寬頻帶應用領域高性能 MEMS加速度計帶寬設計技術  275 
5.5.2 高低溫環(huán)境下高性能 MEMS加速度計性能提升技術  276 
5.5.3 力學環(huán)境下高性能 MEMS加速度計性能提升技術  287 
5.5.4 高性能 MEMS加速度計可靠性評估技術  292 
5.6 高性能 MEMS加速度計相關測試技術  294 
5.6.1 全溫零偏穩(wěn)定性及全溫標度因數(shù)穩(wěn)定性測試  294 
5.6.2 全溫變溫輸出穩(wěn)定性及零偏溫度滯環(huán)測試  296 
5.6.3 全溫度域穩(wěn)定性及重復性測試  297 
5.6.4 長期重復性測試  298 
5.6.5 加速度計環(huán)境適應性測試  300 
5.6.6 頻帶特性測試  303 
5.6.7 空間環(huán)境適應性測試  304 
5.6.8 高性能 MEMS加速度計在慣性測量組合振動條件下的性能測試  307 
第6章 高性能 MEMS慣性器件工藝技術  309 
6.1 MEMS慣性器件制造的主要工藝路線  309 
6.1.1 表面硅加工技術  309 
6.1.2 體硅加工技術  310 
6.2 高性能 MEMS慣性器件制造中的單項基礎工藝  313 
6.2.1 光刻工藝  313 
6.2.2 氧化工藝  315 
6.2.3 薄膜沉積工藝  315 
6.2.4 濕法腐蝕工藝  316 
6.2.5 干法刻蝕工藝  318 
6.2.6 晶圓鍵合工藝  323 
6.3 高性能 MEMS慣性器件集成制造技術  329 
6.3.1 MEMS芯片晶圓級封裝制造技術  330 
6.3.2 全硅晶圓級封裝 “三明治”式加速度計集成制造技術  331 
6.3.3 晶圓級真空封裝 MEMS陀螺儀集成制造技術  336 
6.3.4 單片多軸 MEMS慣性器件集成制造技術  337 
6.4 高性能 MEMS慣性器件晶圓級真空封裝關鍵工藝技術  339 MEMS慣性器件 
6.4.1 預埋腔體SOI制造技術  340 
6.4.2 Au Si共晶鍵合技術  349 
6.4.3 吸氣劑制備與應用技術  354 
6.5 高性能 MEMS慣性器件芯片測試技術  361 
6.5.1 MEMS芯片工藝過程測試  361 
6.5.2 MEMS芯片綜合測試  367 
6.5.3 MEMS慣性器件芯片與 ASIC接口電路匹配性測試  370 
6.6 高性能 MEMS慣性器件封裝技術  371 
6.6.1 MEMS器件封裝的作用和主要形式  371 
6.6.2 MEMS慣性器件晶圓級封裝工藝  374 
6.6.3 MEMS慣性器件單芯片封裝工藝  375 
6.6.4 MEMS慣性器件系統(tǒng)級封裝工藝  377 
6.7 關于高性能 MEMS慣性器件工藝技術的認識和體會  379 
縮略語  380 
參考文獻  384