微型化半球陀螺制备工艺发展现状及趋势分析

因低噪声、高性能、无磨损的优势，半球陀螺已成为航空、航天领域内的最佳导航陀螺。半球陀螺的微型化是微机电陀螺领域的研究热点，全球各研究单位设计了多种形态的谐振器结构，开发了各具特色的加工工艺，其选用的材质也各不相同，并研制出了形态各异的微半球陀螺结构。对半球陀螺微型化的历程和方式进行了综述，着重对微型化半球陀螺壳体谐振器的结构形态、工艺制备方法和选材进行了对比和分析，并对各微型化途径的特点进行了讨论和展望。     

硅半球深腔结构无损检测技术

半球深腔的加工质量是决定硅基MEMS半球陀螺精度的关键因素之一，及时检测半球深腔的形貌参数并将其反馈至加工过程，是确保高性能MEMS半球陀螺研制成功的重要措施。由于硅半球深腔的深度较大，台阶仪和光学显微成像系统无法对半球深腔的形貌特征进行有效测量。因此,需要将硅深腔结构剖开后采用扫描电镜(SEM)进行检测。这种检测方式时间周期长，且属于破坏性的样本检测，效率和测试精度都较低。提出以硅半球深腔为模具，利用PDMS铸模将硅半球深腔的结构尺寸和表面形貌转移到PDMS凸起的半球模型上，通过检测PDMS半球模型的尺寸结构和表面形貌，即可反推出硅半球深腔的尺寸特征。经实验验证，脱模后的PDMS模型可以准确地反映出半球深腔的尺寸信息，测量结果的不确定度小于5‰，有效解决了硅半球深腔无损检测的难题。     

一种新型的低噪声硅微机械陀螺电容读出电路

陀螺系统的微机械敏感结构部分的性能提升受到成本、工艺的限制，有较高难度，故提升接口电路的各项性能成为提升整个系统性能的关键。因此，电容读出电路作为微机械陀螺系统中非常重要的组成部分，该电路性能的优劣直接决定着陀螺的测量精度。为实现硅微陀螺高精度检测，设计了一款低噪声的电容读出电路。在陀螺与读出电路之间设计斩波开关，基于斩波技术进行低噪声设计，采用相关双采样技术用来降低关键的第一级放大电路的低频闪烁噪声和开关噪声。采用了一种简化的陀螺测试模型，用于读出电路的独立测试。读出电路在0.18μm CMOS工艺下设计流片，测试结果表明，该电容读出电路输出噪声为-122.8dBV/Hz1/2，可实现0.06aF/Hz1/2的电容分辨率。     

硅微半球陀螺结构与制造方法及其接口电路设计

针对微半球陀螺加工对称性差的问题，提出了自对准球形电极的多晶硅半球谐振器架构，实现了电极与谐振器相同曲率的一体化成型工艺，从而确保了谐振器的对称性。为使谐振器具有较大的驱动和检测电容，电极和外壳之间的间隙由牺牲层制成，电容间隙均匀且达到了1.5μm。接口控制电路采用基于FPGA的数字化设计，发挥了数字系统信噪比高和开发灵活的优势，实现了开环扫频、锁相环、自动增益控制、交流正交抑制等核心功能。实验结果表明，该陀螺的品质因数达到了42554，谐振频率为5.130kHz和5.128kHz，零偏稳定性达到了3.4°/hr。     

基于两级应力隔离的MEMS加速度计封装设计

封装应力是影响MEMS加速度计性能尤其是温度特性的关键因素之一。为降低封装应力,提出了一种两级应力隔离的低应力封装设计,包含芯片级应力隔离和封装级应力缓冲。采用有限元仿真模拟了四种封装设计和四种粘片方式。仿真结果表明,芯片级应力隔离比封装级应力缓冲效果更好,采用两级应力隔离可以将敏感电容的温度特性改善8倍,且四点胶粘片的效果最优。进一步通过实验优化了四点胶粘片的工艺和参数。实验结果表明,采用低应力封装设计的95只加速度计零偏温度系数均值由1450×10^-6g/℃降低至243×10^-6g/℃,零偏稳定性和零偏重复性均值分别为92×10^-6g和45×10^-6g。