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

1.2MEMS惯性器件关键技术29

1.2.1MEMS惯性器件结构设计技术29

1.2.2MEMS惯性器件工艺制造技术32

1.2.3MEMS惯性器件专用集成电路技术36

1.3MEMS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

1.4MEMS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

2.1MEMS陀螺仪工作原理47

2.1.1哥氏效应原理47

2.1.2MEMS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

2.2MEMS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

2.3MEMS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

2.5.1MEMS陀螺仪随机误差98

2.5.2MEMS陀螺仪正交耦合误差101

2.5.3MEMS陀螺仪同相耦合误差104

2.5.4MEMS陀螺仪g敏感性误差106

2.5.5MEMS陀螺仪温度误差106

2.5.6MEMS陀螺仪力学环境误差110

2.6MEMS陀螺仪误差抑制方法116

2.6.1MEMS陀螺仪噪声抑制117

2.6.2MEMS陀螺仪正交误差抑制方法118

2.6.3MEMS陀螺仪温度误差抑制与补偿技术121

2.6.4MEMS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

3.1.2MEMS陀螺仪驱动控制技术131

3.1.3MEMS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

3.2.2MEMS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

3.3.1MEMS陀螺仪ASIC的主要功能构成147

3.3.2MEMS陀螺仪模拟驱动电路148

3.3.3MEMS陀螺仪模拟检测电路149

3.3.4MEMS陀螺仪数字控制电路150

3.3.5MEMS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

3.5.2MEMS陀螺仪快速启动技术166

3.5.3MEMS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

4.1MEMS加速度计工作原理198

4.2MEMS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

4.5MEMS加速度计误差机理分析224

4.5.1MEMS加速度计误差模型224

4.5.2MEMS加速度计的本征性误差225

4.5.3MEMS加速度计的环境因素误差231

4.5.4MEMS加速度计误差抑制方法235

4.6MEMS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

6.1MEMS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

6.3.1MEMS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339MEMS惯性器件

6.4.1预埋腔体SOI制造技术340

6.4.2AuSi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

6.5.1MEMS芯片工艺过程测试361

6.5.2MEMS芯片综合测试367

6.5.3MEMS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

6.6.1MEMS器件封装的作用和主要形式371

6.6.2MEMS惯性器件晶圆级封装工艺374

6.6.3MEMS惯性器件单芯片封装工艺375

6.6.4MEMS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