单芯片集成加速度计陀螺仪设计研究

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《中北大学》 2006年

单芯片集成加速度计陀螺仪设计研究

唐军  

【摘要】：在充分调研和分析国内外微机械惯性传感器研究状况的基础上,针对目前组合式惯性测量组合中加速度计与陀螺仪组合体积大,安装精度低,耦合误差较大等缺点,本论文设计了单芯片集成加速度计陀螺仪,并对这一前沿性的研究课题进行了较为深入的分析和讨论。 论文提出的单芯片微机械加速度计陀螺仪结构,利用同一质量块,实现同方向上加速度和角速度的检测。该结构采用静电驱动、折叠梁支撑设计以及两类惯性参量独立的差分电容检测方式,可以很好的抑制结构的交叉耦合以及两类惯性参量之间的信息耦合,实现高的检测精度。 针对加速度计陀螺仪的结构及工作原理建立了相应的动力学模型,并利用该模型对加速度计陀螺仪的角速度和加速度的动力学响应进行了分析和仿真。分析结果表明,所设计的加速度计陀螺仪可以很好的实现同方向上的加速度和角速度的检测。 考虑加速度计陀螺仪作为多维力学传感器,结构当中最主要的误差是结构耦合误差,论文对所设计结构的各种固有耦合误差以及工艺误差进行了建模分析,并对相应的解耦方法进行了研究。 对加速度计陀螺仪的关键结构进行了仿真计算和优化设计,采用ANSYS的结构仿真分析模块,实现了对结构的核心部件之一的弹簧梁支撑系统进行了尺寸优化,使得结构在灵敏度和强度等方面都处于一个较优的状况,实现了结构的模态匹配;通过力电耦合分析,对结构的驱动和静电检测部分进行了分析和设计,得出了输入信号与检测电容之间的变化关系以及梳状驱动器的驱动特性。 在考虑加速度计陀螺仪结构特性以及现有的加工工艺条件,论文设计出了一套适用于该结构的微机械表面加工工艺和相对应的工艺版图。 初步探讨了加速度计陀螺仪的信号检测系统,对加速度计陀螺仪的驱动以及微小电容检测电路系统框图进行了分析。

【关键词】：
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TH703
【目录】：

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