纳g级加速度计电容边缘效应与结构抗干扰研究

作     者：胡钧铭 

作者单位：西南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：戴强;徐江

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 

主      题：微加速度计 纳g级分辨率 边缘效应 梁局部耦合 

摘      要：在地球物理科学、引力波探测以及行星重力探测等领域的探索中,都对所使用的加速度计提出了纳g级分辨率的要求。目前,国内外在提高加速度计分辨率及其它性能的研究中,主要通过优化弹簧-振子结构来增大传感增益以及发展低噪声电路来提高信噪比。其中,MEMS电容式微加速度计以加工技术成熟、环境适应力强成为高精度加速度检测领域的重要一员。本文研究了MEMS电容式微加速度计的关键结构和关键技术,设计了一款具有纳g级热噪声且抗干扰能力强的加速度计表头,研究了边缘效应对电容阵列灵敏度的影响。最后研究了加速度计制备工艺,并绘制各层加工版图。论文主要工作如下:(1)基于保角映射变换和复变函数相关理论,通过继承传统模型并加以修正,得出电容极板在非正对情况下的边缘效应模型。经与有限元仿真对比,表明当电容极板从正对到完全移开的过程中,本文模型与有限元仿真的误差在10%到20%之间,优于各传统模型。此外,通过分析电容阵列灵敏度衰减机理,得到不同极板间距下电容阵列灵敏度衰减系数曲线。(2)基于阻尼系统的涨落耗散理论,建立了弹簧-振子结构的机械热噪声模型。通过对弹簧-振子结构参数化建模,得到了理论噪声为0.1ng/√Hz的弹簧-振子结构,加速度计分辨率达到纳g水平。(3)通过研究“框架结构的耦合方式,提出了局部耦合和框架打孔组合方式,有效降低了干扰加速度对阵列电容灵敏度的影响。最终加速度计理论量程大于±2g、结构非检测方向与检测方向模态频率之比大于7.49。(4)通过探索MEMS加工工艺,针对所设计加速度计结构特点,确定制备工艺,并使用L-edit绘制各层版图。