高精度全硅基单芯片集成数字式六轴微机械电子罗盘传感器研究

In order to resolve the shortcomings of the existing micromachined electronic-compass (E-compass) sensors in fabrication cost, precision, integration and digitization, this project proposed a high vacuum packaged fully silicon-based single-chip front-side sixth-axis micromachined E-compass sensor and cascaded sigma-delta modulator digital closed-loop interface circuit. Firstly, aim at the influence of the releasing mini-holes structure dimensions, location topology, fabrication techniques and process parameters to the monocrystalline silicon micromachined structure, a one-step forming technique of single-wafer-based single-sided three-dimensional micromachined assemble structure is studied.The theoretical parameter model of the six-axis micromachined E-compass sensors is built, the structure design is optimized to realize micromachined E-compass sensors miniaturization, integration, low-cost and fabrication process being compatible with IC process. Secondly, noise and nonlinearity models of micromachined E-compass closed-loop interface circuit are established based on mechanical noise of sensors and circuit module noises in each stage, investigated the methods of improving system performance. Based on the above model and theory analysis, the closed-loop interface circuit digital integrated realized in FPGA chip was research. Finally, combined with high vacuum packaged technology to do micromachined E-compass sensors relevant performance analysis and experimental research. This project has important theoretical and practical significance for extending the micromachined sensors integrating technology and promoting the development of micromachined E-compass sensors.

针对现有微机械电子罗盘传感器在加工成本、精度、集成化和数字化等方面存在的不足，提出一种高真空封装的全硅基单芯片单面加工的六轴微机械电子罗盘传感器及其级联式Sigma-delta modulator数字闭环接口电路技术。首先，针对释放窗口结构尺寸、位置拓扑、制备方法和工艺参数对单晶硅微机械结构成型的影响，研究单硅片单面三维微机械组合结构一次成型加工技术；建立六轴微机械电子罗盘传感器理论参数模型，优化结构设计，实现传感器的微型化、集成化、低成本以及制造工艺和IC工艺兼容。其次，针对传感器噪声以及各级电路模块噪声等参数建立闭环接口电路的噪声、非线性模型，并研究提高性能的方法。在上述模型及理论分析的基础上研究其闭环接口电路的FPGA数字化集成实现方法，最后结合高真空封装技术开展相关性能分析和试验研究。本课题的研究对拓展微机械传感器单芯片集成技术，促进微机械电子罗盘传感器发展具有重要理论和现实意义。

微机械电子罗盘是一种利用磁场和重力场来测量航姿的多功能组合型惯性传感器，在消费电子和工业自动化等领域具有非常广泛的应用前景，尤其是在国防领域，由于其特殊性，要求其精度高、制造成本低廉且适合大批量生产，但是相关技术一直受到国外发达国家严格控制。本课题提出一种全硅基单芯片单面加工的六轴微机械电子罗盘传感器研究，包括一个三轴加速度单元和一个三轴磁强计单元，通过创新的集成设计技术和单硅片单面集成加工技术实现器件的高精度集成和低成本批量制造。在设计方面重点研究了敏感单元结构的组合优化设计，通过结构建模与仿真完成了敏感单元交叉耦合数值模拟及微尺度多场耦合分析，实现了结构参数与性能的相关性分析；在微加工制造方面重点研究了单芯片单面集成工艺中微型释放窗口尺寸、位置拓扑方式等对微机械结构形成及完整性分析，释放窗口制作技术、高强度绝缘锚点制作技术和单晶硅片内部选择性可自停止刻蚀技术等，加工完成的微机械电子罗盘传感器中加速度单元和磁强计单元大小均为2.6mm×2.6mm，结构层厚度为50um；结合本课题研究的管壳级真空封装技术和数字静电力平衡接口控制电路控制技术完成了器件的测试与标定，其中加速度敏感单元精度达到3mg，磁场敏感单元精度达到0.6uT。本课题的研究在单芯片多功能组合型微惯性传感器的结构设计和制造工艺上取得重大突破，同时结合了我国IC代工厂产能巨大的特点，可以与国内IC工艺兼容进行混线生产，对促进我国在该领域的产业化发展具有重要意义。