摘要
硅微谐振式加速度计作为用于测量载体加速度的惯性器件，得益于其体积小、功耗低、准数字信号输出等优点，目前被广泛运用在军事、工业和民用领域。随着应用领域的不断拓展，单轴和双轴微加速度计已无法满足众多场合使用的需求，三轴微加速度计的集成成为重要发展方向之一。本论文采用理论分析与有限元仿真相结合的方式，设计出一款具有高灵敏度、低交叉耦合特点的单芯片集成三轴谐振式微加速度计。 论文的研究工作主要包括以下内容： （1）三轴谐振式微加速度计的集成模式与工作原理分析为设计提供指导。对三轴微加速度计集成模式进行分析，采用一个双轴微加速度计和一个Z轴微加速度计集成在一个芯片上的组合模式；阐明基于力频特性的双轴微加速度计的工作原理和基于静电刚度效应的Z轴加速度计的工作原理；明确三轴微加速度计的加工工艺。 （2）双轴谐振式微加速度计的结构设计与仿真分析。首先通过建立无梳齿架形式谐振梁理论模型，推导出其基频和标度因数表达式；围绕高灵敏度和低交叉耦合，对谐振器、解耦梁和支撑结构进行理论和仿真分析，从而确定结构形式，得到不同参数对加速度计性能的影响，为实现高灵敏度和低交叉耦合的双轴加速度计提供依据；最后，对所设计的双轴加速度计进行静力学仿真、模态仿真、轴向交叉耦合仿真和谐响应仿真等，优化结构参数并验证结构设计的可行性。 （3）Z轴谐振式微加速度计结构设计与仿真分析。首先建立Z轴加速度计动力学模型，基于电容间隙变化原理，研究静电刚度、扭转刚度与谐振频率之间的关系，推导出Z轴加速度计的基频、标度因数和吸合电压表达式，并进行了仿真验证；结合有限元仿真分析，确定结构最佳几何外形和参数；最后对加速度计进行模态仿真、吸合效应仿真，验证结构设计的可行性，通过谐响应仿真确保驱动电压加载方式的合理性。 （4）三轴谐振式微加速度计误差分析。首先建立谐振梁上附加梳齿随振梁振动而产生的倾角误差模型，从而推导出包含倾角误差的基频表达式，计算结果表明所设计结构可以忽略该误差对基频的影响；其次理论分析三轴加速度计关键结构参数与标度因数非线性之间的关系，研究结果表明标度因数和量程的增大不利于标度因数非线性的抑制；最后使用蒙特卡洛法研究加工误差对三轴加速度计谐振器基频的影响，并对各参数进行敏感性分析。 （5）三轴谐振式微加速度计结构芯片测试。使用设计软件Tanner L-edit绘制三轴加速度计结构版图，加工出裸片结构，并完成裸片的测试工作。开环测试结果表明，大气下各个谐振器工作正常，其中双轴加速度计谐振频率在50.3kHz~51.2kHz之间，Z轴加速度计谐振频率在6.3kHz~6.7kHz之间，X、Y和Z向标度因数分别为680Hz/g、685Hz/g和115Hz/g，与设计值相符，结构设计的正确性得以验证。
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