高性能MEMS慣性器件技術(shù)

第1章 概 述  1 
1.1 微小型慣性器件技術(shù)發(fā)展概況  1 
1.1.1 慣性器件技術(shù)概述  1 
1.1.2 微小型陀螺儀技術(shù)發(fā)展概況  2 
1.1.3 微小型加速度計(jì)技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)  29 
1.2.1 MEMS慣性器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)  29 
1.2.2 MEMS慣性器件工藝制造技術(shù)  32 
1.2.3 MEMS慣性器件專(zhuān)用集成電路技術(shù)  36 
1.3 MEMS慣性器件性能指標(biāo)體系  39 
1.3.1 常規(guī)物理特性指標(biāo)  40 
1.3.2 靜態(tài)精度指標(biāo)  40 
1.3.3 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)  42 
1.3.4 環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)  43 
1.4 MEMS慣性器件發(fā)展及應(yīng)用趨勢(shì)  44 
第2章 MEMS陀螺儀典型結(jié)構(gòu)及誤差機(jī)理 47 
2.1 MEMS陀螺儀工作原理  47 
2.1.1 哥氏效應(yīng)原理  47 
2.1.2 MEMS陀螺儀動(dòng)力學(xué)方程  49 
2.1.3 靜電驅(qū)動(dòng)原理  51 
2.1.4 電容檢測(cè)原理  52高性能 MEM技術(shù) 
2.2 MEMS陀螺儀的常見(jiàn)典型結(jié)構(gòu)形式  53 
2.2.1 線(xiàn)振動(dòng)式 MEMS陀螺儀  53 
2.2.2 角振動(dòng)式 MEMS陀螺儀  66 
2.2.3 振動(dòng)環(huán)式 MEMS陀螺儀  69 
2.3 MEMS陀螺儀典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  75 
2.3.1 雙質(zhì)量塊 MEMS陀螺儀典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  76 
2.3.2 四質(zhì)量塊 MEMS陀螺儀典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  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(duì)獨(dú)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(shè)計(jì)方案  91 
2.5 典型 MEMS陀螺儀誤差機(jī)理分析  97 
2.5.1 MEMS陀螺儀隨機(jī)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(xué)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(bǔ)償技術(shù)  121 
2.6.4 MEMS陀螺儀非線(xiàn)性誤差抑制技術(shù)  125 
第3章 高性能 MEMS陀螺儀關(guān)鍵技術(shù)  127 
3.1 高性能 MEMS陀螺儀驅(qū)動(dòng)與信號(hào)檢測(cè)技術(shù)  127 
3.1.1 微小電容檢測(cè)技術(shù)  127 
3.1.2 MEMS陀螺儀驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)  131 
3.1.3 MEMS陀螺儀解調(diào)檢測(cè)技術(shù)  133 
3.2 高性能 MEMS陀螺儀閉環(huán)控制技術(shù)  136 
3.2.1 檢測(cè)軸力平衡閉環(huán)技術(shù)  137 
3.2.2 MEMS陀螺儀正交剛度校正技術(shù)  141 
3.2.3 檢測(cè)軸頻率調(diào)諧技術(shù)  143 
3.3 高性能 MEMS陀螺儀控制電路技術(shù)  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(dòng)電路  148 
3.3.3 MEMS陀螺儀模擬檢測(cè)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(yīng)用環(huán)境條件下高性能 MEMS陀螺儀精度提高技術(shù)  156 
3.4.1 高性能 MEMS陀螺儀長(zhǎng)期穩(wěn)定性技術(shù)  156 
3.4.2 溫度環(huán)境條件下精度保持技術(shù)  158 
3.4.3 振動(dòng)沖擊等力學(xué)環(huán)境下精度保持技術(shù)  162 
3.5 應(yīng)用條件下高性能 MEMS陀螺儀相關(guān)工程性能提升技術(shù)  164 
3.5.1 高性能 MEMS陀螺儀量程設(shè)計(jì)  164 
3.5.2 MEMS陀螺儀快速啟動(dòng)技術(shù)  166 
3.5.3 MEMS陀螺儀帶寬設(shè)計(jì)  171 
3.6 高性能 MEMS陀螺儀相關(guān)測(cè)試技術(shù)  176 
3.6.1 高性能 MEMS陀螺儀測(cè)試的特點(diǎn)  177 
3.6.2 高性能 MEMS陀螺儀溫度環(huán)境精度測(cè)試  177 
3.6.3 陀螺儀力學(xué)環(huán)境特性測(cè)試  180 
3.7 動(dòng)態(tài)應(yīng)用環(huán)境下典型高性能 MEMS陀螺儀性能提升技術(shù)  183 
3.7.1 彈旋頻率測(cè)量用大量程 MEMS陀螺儀性能提升技術(shù)  184 
3.7.2 高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈偏航 MEMS陀螺儀性能提升技術(shù)  191 
第4章 MEMS加速度計(jì)典型結(jié)構(gòu)及誤差機(jī)理  198 
4.1 MEMS加速度計(jì)工作原理  198 
4.2 MEMS加速度計(jì)典型結(jié)構(gòu)形式  199 
4.2.1 “三明治”式 MEMS加速度計(jì)  199 
4.2.2 梳齒式 MEMS加速度計(jì)  200 
4.2.3 扭擺式 MEMS加速度計(jì)  202 
4.2.4 諧振式 MEMS加速度計(jì)  203 
4.3 典型 MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  205 
4.3.1 “三明治”MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  205 
4.3.2 梳齒式 MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  207 器件技術(shù) 
4.3.3 扭擺式 MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  210 
4.3.4 諧振式 MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  211 
4.4 單片三軸 MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  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(jì)誤差機(jī)理分析  224 
4.5.1 MEMS加速度計(jì)誤差模型  224 
4.5.2 MEMS加速度計(jì)的本征性誤差  225 
4.5.3 MEMS加速度計(jì)的環(huán)境因素誤差  231 
4.5.4 MEMS加速度計(jì)誤差抑制方法  235 
4.6 MEMS加速度計(jì)工程化需考慮的因素  238 
4.6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工中的工程化考慮因素  238 
4.6.2 電路設(shè)計(jì)中的工程化考慮因素  240 
4.6.3 測(cè)試與補(bǔ)償中的工程化考慮因素  240 
第5章 高性能 MEMS加速度計(jì)關(guān)鍵技術(shù)  241 
5.1 高性能 MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)  241 
5.1.1 高性能 MEMS加速度計(jì)綜合精度提升技術(shù)  241 
5.1.2 高性能 MEMS加速度計(jì)全溫性能結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)  247 
5.1.3 高性能 MEMS加速度計(jì)抗高過(guò)載技術(shù)  250 
5.2 高性能 MEMS加速度計(jì)控制系統(tǒng)  255 
5.2.1 高性能 MEMS加速度計(jì)閉環(huán)控制系統(tǒng)模型  255 
5.2.2 高性能 MEMS加速度計(jì)電學(xué)模型化技術(shù)  256 
5.3 高性能 MEMS加速度計(jì)控制電路技術(shù)  259 
5.3.1 高性能 MEMS加速度計(jì)閉環(huán)反饋控制技術(shù)  259 
5.3.2 高性能 MEMS加速度計(jì)前端放大器低噪聲技術(shù)  260 
5.3.3 高性能 MEMS加速度計(jì) PID電路設(shè)計(jì) 261 
5.3.4 高性能 MEMS加速度計(jì)高壓電荷泵設(shè)計(jì)  262 
5.3.5 高性能 MEMS加速度計(jì) ΣΔ接口電路技術(shù)  263 
5.4 應(yīng)用環(huán)境條件下高性能 MEMS加速度計(jì)精度提高技術(shù)  266 
5.4.1 采用全硅結(jié)構(gòu)對(duì)其溫度性能的提升  266 
5.4.2 加速度計(jì)應(yīng)力對(duì)消結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  268 
5.4.3 加速度計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)級(jí)的溫度補(bǔ)償  272 
5.4.4 適度的老化試驗(yàn)  272 
5.5 高性能 MEMS加速度計(jì)相關(guān)工程性能設(shè)計(jì)技術(shù)  275 
5.5.1 寬頻帶應(yīng)用領(lǐng)域高性能 MEMS加速度計(jì)帶寬設(shè)計(jì)技術(shù)  275 
5.5.2 高低溫環(huán)境下高性能 MEMS加速度計(jì)性能提升技術(shù)  276 
5.5.3 力學(xué)環(huán)境下高性能 MEMS加速度計(jì)性能提升技術(shù)  287 
5.5.4 高性能 MEMS加速度計(jì)可靠性評(píng)估技術(shù)  292 
5.6 高性能 MEMS加速度計(jì)相關(guān)測(cè)試技術(shù)  294 
5.6.1 全溫零偏穩(wěn)定性及全溫標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性測(cè)試  294 
5.6.2 全溫變溫輸出穩(wěn)定性及零偏溫度滯環(huán)測(cè)試  296 
5.6.3 全溫度域穩(wěn)定性及重復(fù)性測(cè)試  297 
5.6.4 長(zhǎng)期重復(fù)性測(cè)試  298 
5.6.5 加速度計(jì)環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試  300 
5.6.6 頻帶特性測(cè)試  303 
5.6.7 空間環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試  304 
5.6.8 高性能 MEMS加速度計(jì)在慣性測(cè)量組合振動(dòng)條件下的性能測(cè)試  307 
第6章 高性能 MEMS慣性器件工藝技術(shù)  309 
6.1 MEMS慣性器件制造的主要工藝路線(xiàn)  309 
6.1.1 表面硅加工技術(shù)  309 
6.1.2 體硅加工技術(shù)  310 
6.2 高性能 MEMS慣性器件制造中的單項(xiàng)基礎(chǔ)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(shù)  329 
6.3.1 MEMS芯片晶圓級(jí)封裝制造技術(shù)  330 
6.3.2 全硅晶圓級(jí)封裝 “三明治”式加速度計(jì)集成制造技術(shù)  331 
6.3.3 晶圓級(jí)真空封裝 MEMS陀螺儀集成制造技術(shù)  336 
6.3.4 單片多軸 MEMS慣性器件集成制造技術(shù)  337 
6.4 高性能 MEMS慣性器件晶圓級(jí)真空封裝關(guān)鍵工藝技術(shù)  339 MEMS慣性器件 
6.4.1 預(yù)埋腔體SOI制造技術(shù)  340 
6.4.2 Au Si共晶鍵合技術(shù)  349 
6.4.3 吸氣劑制備與應(yīng)用技術(shù)  354 
6.5 高性能 MEMS慣性器件芯片測(cè)試技術(shù)  361 
6.5.1 MEMS芯片工藝過(guò)程測(cè)試  361 
6.5.2 MEMS芯片綜合測(cè)試  367 
6.5.3 MEMS慣性器件芯片與 ASIC接口電路匹配性測(cè)試  370 
6.6 高性能 MEMS慣性器件封裝技術(shù)  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(jí)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(jí)封裝工藝  377 
6.7 關(guān)于高性能 MEMS慣性器件工藝技術(shù)的認(rèn)識(shí)和體會(huì)  379 
縮略語(yǔ)  380 
參考文獻(xiàn)  384