基于单晶硅的高精度大动态范围挠性加速度计研究

The accelerometer with high precision and large dynamic range has a wide range of application requirements in the fields of the regional gravity survey, the geophysical prospecting exploration, the gravity field assisted navigation, and so on. In the field of application, people require the accelerometer not only be suitable for harsh environment, but also have good stability. Compared with quartz or metal flexible accelerometer, the silicon-based flexible accelerometer, fabricated by the deep reactive ion etching process, has a higher quality factor and structural stability, which hence could greatly reduce the thermal noise of the sensor, and improve its durability.This project is aimed to develop the silicon-based flexible accelerometer. We plan to optimize of the design of the structure by analytical calculation and simulation iterations, and fabricate the high aspect ratio structure by means of the inductively coupled plasma and Bosch process, which would manufacture the spring-mass system with the thermal noise level lower than 5ng/Hz^(1/2) and the dynamic range larger than ±1g. Combined with our precision capacitive sensing circuit technology, we expect the silicon-based flexible accelerometer will have a resolution better than 10ng/Hz^(1/2), and the dynamic range wider than 8 orders, which will meet the practical requirements in the fields of geophysics and many other areas.

高精度大量程的加速度计在区域重力调查、地球物理勘探、及地球重力场辅助导航等方面有着广泛的应用需求，在对使用环境和耐用度要求极高的应用领域，不仅要求加速度计适用于恶劣的环境，而且对其稳定性提出很高的要求。与石英或金属挠性加速度计相比，基于单晶硅材料深刻蚀加工的挠性加速度计具有更高的品质因素和结构稳定性，能极大降低弹簧-振子结构的热噪声水平，并提高其耐用性。本项目拟开展基于单晶硅的挠性加速度计研制，通过结构的优化设计，采用能够实现高深宽比的感应耦合等离子体（ICP）和Bosch工艺的深硅刻蚀技术，研制出热噪声水平低于5ng/Hz^(1/2)，动态范围超过±1g的加速度计弹簧振子结构，配之以我实验室成熟的高精度微位移电容传感电路技术，最终得到整体分辨率优于10ng/Hz^(1/2)，动态范围达到8个数量级的单晶硅挠性加速度计，满足地球物理等诸多领域的应用需求。

加速度计是惯性测量系统的核心部件之一，在地质勘查、矿产与油气田资源勘探、重力辅助导航等领域有广泛的应用，这些应用对加速度计的噪声水平、动态范围提出了很高的要求。硅材料具有结构稳定、Q值高等优点，是制作高精度加速度的理想材料之一。本项目将硅基材料的稳定性与挠性加速度计技术成熟的优点结合，以地球重力场精密测量为应用目标，研发量程大于1g，分辨率优于10ng/√Hz的硅基挠性加速度计。.项目首先对硅基挠性加速度计的表头结构进行优化设计。通过仿真和优化设计，弹簧-振子结构固有频率约为15Hz，大气下机械热噪声约为1ng/√Hz，量程为±2.4g。为了提高电容位移检测动态范围，进行了阵列电容极板和单电容极板组合输出设计，理论上能实现9个量级的位移检测范围。.接着对加速度计表头加工工艺进行摸索。为了实现三个金属层、两个绝缘层和体硅结构刻蚀等共计125个串联的工艺，首先针对单层工艺进行研究，再对串联加工时出现的工艺稳定性、兼容性问题进行研究和优化，最终成功实现了硅基挠性加速度计表头的加工。.为了实现质量块位移的高灵敏度检测，通过对加速度计阵列电容传感进行原理研究、仿真分析和实验验证，确定了极板间距、寄生电容、电容边缘效应三个影响灵敏度的因素，提出了利用较厚的PSPI做介质减小寄生电容、设计加速度计倒置工作模式减小极板间距和电容边缘效应的结构、工艺改进方案。并针对电容检测需求研制了后端检测电路和反馈控制系统。.最后对加速度计性能参数进行测试。硅基挠性加速度计阵列电容极板测试灵敏度达到55pF/g，与设计值在误差范围内吻合。加速度计的静态测试本底噪声为3 ng/√Hz@1Hz，优于项目指标要求。通过振动台测试，加速度计量程为±1.4g。同时实现硅基挠性加速度计反馈控制功能。.ng分辨率硅基挠性加速度计的研制为高精度惯性测量需求提供了一种低成本，低功耗，高稳定性的可选方案，在精密重力测量及惯性导航领域有重大应用前景，也为高精度硅基MEMS传感器在不同行业领域的应用提供参考。