硅基WLP谐振加速度计的研究

发布时间：2020-03-30 11:08

【摘要】：硅基谐振加速度计是一种具有高精度潜力的微机电惯性仪表,其基本原理是在轴向加速度的作用下谐振结构刚度的变化引起谐振子谐振频率的改变,通过检测频率变化测得输入加速度。硅基谐振加速度计具有微机电仪表可靠性高、寿命长、体积小和重量轻的优点,同时频率信号输出又使其具有理论高精度,因此成为微机电惯性仪表发展的重要方向之一。本文针对硅基谐振加速度计的结构设计及工艺、系统设计、数字测控电路等关键技术展开了研究,主要内容如下:研究了硅基谐振加速度计的工作机理,推导了力-频输出方程,建立了敏感结构的动力学模型并基于Simulink进行系统级建模及分析;对谐振子的驱动检测方式进行了分析,并比较两种驱动检测方式,确定了驱动检测结构方案。针对目前谐振式加速度计结构设计中的不足,提出了硅基谐振加速度计的双层结构设计方案,并利用ANSYS有限元分析软件对结构的主要模态进行了仿真分析,并进行了全量程仿真和温度仿真分析。研究了硅基谐振加速度计的圆片级封装工艺技术和微系统应力匹配工艺技术。研究了谐振音叉闭环驱动控制机理。基于自激振荡原理,闭环驱动控制系统包括相位控制和幅值控制,以相位控制为主,幅值控制为辅。本文中相位控制采用锁相环方案,对锁相环进行了理论分析,并分析比较了三种幅值控制方案,基于上述分析对闭环驱动控制系统进行了Simulink系统级仿真分析。研究了硅基谐振加速度计的数字驱动及高精度频率检测技术。利用Verilog HDL语言进行了自适应数字锁相环、高精度频率检测、串口通信模块等程序设计,基于FPGA构建的了数字测控系统。测试结果显示,数字测控电路可以满足加速度计响应速度、量程等指标的设计需求。经测试,样机的上电启动时间100ms,零偏稳定性达到25.496μg(1σ),零偏重复性为35.384μg;标度因数为197.437 Hz/g。
【图文】：

杨博：硅基WLP 谐振加速度计的研究 硅基谐振加速度计接口电路技术国内外研究进展微谐振式加速度计的性能取决于结构设计、封装、电路等方面，它们对加如图 1.12 所示。其中，测控电路的作用是驱动硅微谐振式加速度计并实时频率以得到加速度输出，它决定了传感器噪声、稳定性、功耗等多项关键

谐振加速度计力-频系，主要是因为输出随着幅值变化谐振过大[34]。速度计对外界环境制环节。谐振式仪表trol，AGC）的闭环非线性区，抑制谐振首先根据理论计算，然后调整幅值检测值降低时，，通过提高电激励电压来减小有效值与直流参考电
【学位授予单位】：中国航天科技集团公司第一研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH824.4

【参考文献】

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本文编号：2607472