谐振—力平衡电容式三轴加速度计检测电路研制

发布时间：2020-07-08 00:06

【摘要】：微机械加速度计具有体积小、重量轻、低成本、批量生产等优点,在汽车、通信、生物医学、航空、航天等领域具有十分广阔的应用前景。高性能微机械加速度计已经成为微传感器领域研究热点之一。针对目前微型三轴加速度计检测机理单一的现状,课题组提出一种基于谐振-力平衡电容复合检测机理的体微机械单质量块三轴加速度计结构。采用谐振梁检测面内X/Y轴加速度,采用力平衡模式的差动电容检测机理检测Z轴加速度。质量块的重心位于支撑梁的中性面内,减小了面内加速度引起的质量块翻转,从而使加速度计具有较小的交叉轴灵敏度。本论文主要工作是研制该三轴加速度计的检测电路、建立加速度计的检测系统,并测试性能参数。在之前的工作基础上重点开展下述两个方面的研究工作:(1)为了实现对谐振梁谐振频率的精确检测,设计一种基于FPGA的周期自调整频率计,并使用角度旋转台和标准振动台测试了面内加速度检测的灵敏度和交叉灵敏度。(2)采用PI校正方法优化系统的频率特性,通过力反馈环节将电信号转换为力信号加载到质量块上,使电容检测系统工作在闭环力平衡状态。在此基础上建立了Z轴加速度的电容检测系统的数学模型,使用Simulink软件对系统的开环特性与闭环特性进行了仿真分析。研制出Z轴加速度的电容检测电路。使用重力场翻转法测试了开环和闭环状态下电容检测系统的灵敏度。
【学位授予单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH824.4
【图文】：

(a) 单轴谐振式微加速度 (b) 双轴谐振式微加速度计图 1.1 C. Comi 制作的单轴和双轴谐振式微加速度计[15] 剑桥大学 Zou X 报道了一种真空封装的 MEMS 谐振式加速度计。结构如图1.2 所示[16]。通过增大检测质量块的重量和改进杠杆放大系数，增大了传感器的灵敏度。真空封装增大了谐振器的品质因数。测试该谐振式加速度计的品质因数为 25000，灵敏度为 96Hz/g。在 1Hz 到 50Hz 的频率变化范围内，其分辨率小于 150ng/Hz。由于该加速度计采用表面工艺制作，为了增加质量块的质量，通常采用增大质量块的横向尺寸，但这将导致制作出的芯片尺寸较大。

单轴谐振式微加速度 (b) 双轴谐振式微图 1.1 C. Comi 制作的单轴和双轴谐振式微加速度计[1ou X 报道了一种真空封装的 MEMS 谐振式加速过增大检测质量块的重量和改进杠杆放大系数，装增大了谐振器的品质因数。测试该谐振式加敏度为 96Hz/g。在 1Hz 到 50Hz 的频率变化范围由于该加速度计采用表面工艺制作，为了增加量块的横向尺寸，但这将导致制作出的芯片尺

图 1.3 R. Zhu 研制的谐振式加速度计[17] 电子学研究所传感技术国家重点实验室 Yanlo外加速度的差频硅微谐振式加速度计，该加速如图 1.4 所示[18]。质量块通过两个支撑梁和两个锚点固定）支撑。由于支撑梁和谐振梁的厚度，谐振梁将产生弯曲应力。靠近支撑梁的谐振另一个谐振梁受拉伸应力，谐振频率增加。实的 Q 值为 400，灵敏度为 584Hz/g。

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本文编号：2745811