六轴全解耦单片集成SOI微惯性单元研究

Multi-axis monolithic integrated, wafer level vacuum encapsulation and high integration interconnection with IC chip interconnection has become a mainstream trend of micro inertial sensor research and development, which has important significance to reduce the volume of the micro inertial navigation system, reduce the production cost, improve the device performance. However, so far, this kind high integration for accelerometer and gyroscope has not be reported, the relevant research work needs to be strengthened. Therefore, the research will aim to investigate a novel kind of monolithic integrated six axis micro inertial sensors. That will make full use of four masses symmetric with full decoupling structure frame, by analyzing the modal analysis of the weak coupling mechanism, optimization of beam structure parameters, which will complete the balancing strategy between sensitivity and bandwidth under equal accuracy performance. By adopting high precision micro processing technology and SOI wafer level of vacuum packaging solutions, a set of six axis system level design scheme of micro inertial measurement device equipped with high-precision mixed-signal integrated measurement and control circuit can be finally realized. In conclusion this research has important academic significance and economic value.

多轴单片集成、晶圆级真空封装以及与IC芯片互连构成高集成度传感芯片已成为微惯性传感器研发的主流趋势，对于减小微惯导系统的体积、降低生产成本、提高器件性能都有重要意义，截止目前国内外在加速度计与陀螺仪的高集成度方面还没有显著成果报道，相关的研究工作亟需得到加强。因此，本课题旨在深入研究一种单片集成的六轴微惯性传感器，采用四质量对称全解耦结构框架，分析各模态间强弱耦合机理，优化各种梁结构参数、实现等精度下带宽和灵敏度均衡策略，采用高精度微加工技术及SOI晶圆级真空封装的方案，配备高精度数模混合集成化测控电路，完成一套六轴微惯性测量器件的系统级设计方案论证，该项研究具有重要的学术意义和经济价值。

多轴单片集成、晶圆级真空封装以及与IC芯片互连构成高集成度传感芯片已成为微惯性传感器研发的主流趋势，对于减小微惯导系统的体积、降低生产成本、提高器件性能都有重要意义。本课题针对现阶段六轴微惯性器件的不足，设计了一种新型的单片集成六轴微惯性传感器，并结合理论分析，仿真软件对传感器结构参数进行了优化设计，同时增加正交误差抑制结构、温度误差优化锚点等优化结构，实现较高的检测精度潜能。. 结合现阶段微机械加工技术基础，以及六轴微惯性器件结构特点，本课题在深入对比分析各种加工工艺、加工材料优缺点后，设计了一种基于SOI晶圆片的微机械加工工艺流程方案。该方案以SOI晶圆片为材料刻蚀传感器活动部件，利用玻璃晶圆刻蚀盖帽结构做为真空腔室，同时采用新型金锡键合技术，实现低应力键合，完成芯片的晶圆级真空封装。结合现阶段专用集成电路技术基础，设计了一种优化的六轴微惯性器件专用集成电路接口电路，包含高精度C/V转换电路，高精度ΣΔ模数转换器电路以及高精度电流舵数模转换器电路。. 本课题对六轴微惯性器件的温度误差进行优化。首先，通过在结构上增加温度检测电阻、加热Pt电阻丝，在后续电路上通过增加温度检测电路、温度控制电路，对传感器表头的温度进行控制，实现表头温控。同时，在处理电路板上集成温度传感器及温度执行器，实现整体传感器的系统级温控。. 最终，依据测试大纲，对设计的六轴微惯性器件样机进行测试。其中，角速度量程达到±300°/s，加速度量程达到±30g。角速度检测线性度优于1000ppm，加速度检测线性度优于1000ppm，角速度检测带宽达到100Hz，加速度检测带宽达到100Hz，角速度交叉耦合误差小于1%，加速度交叉耦合误差小于1%，三个角速度检测轴向零偏不稳定性分别为1.19 / 1.28 / 1.05 o/h（Pitch / Roll / Yaw），三个加速度检测轴向零偏不稳定性分别为5.7 / 4.8 / 73 ug（X / Y / Z）。设计的六轴微惯性器件具有较优的性能水平，且具有较高的集成度，能够大幅降低现阶段六轴微惯性传感器的成本。