叉指式硅微机械加速度计设计与检测技术研究

发布时间：2017-04-15 05:15

  本文关键词：叉指式硅微机械加速度计设计与检测技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 利用MEMS技术制造的微加速度计具有体积小、功耗低、可靠性高等优点,在汽车安全、惯性制导、振动控制等领域得到了广泛的应用。目前,常规武器制导化对微加速度计的性能提出了更高的要求,主要体现在测量精度和可靠性两方面。电容式微加速度计在温度特性、测量噪声、长期稳定性等方面具有很大的优势。采用叉指结构可以提高微加速度计的测量灵敏度,然而灵敏度的提高将导致交叉耦合误差的增大。结构设计是降低耦合误差的主要方法。同时微加速度计的电容变化非常微弱,通常在10?1 5F以下,设计高精度微电容检测电路是提高微加速度计测量精度的关键。 本文对叉指式微加速度计的结构设计理论、结构仿真方法和信号检测技术进行了深入研究。主要内容如下: 1、对叉指式硅微加速度计的结构设计理论进行了系统研究,其中包括加速度计弹性支撑梁理论、运动特性、静电驱动特性和压膜阻尼特性四个方面,介绍了四种弹性支撑梁结构并推导了它们的弹性系数与结构尺寸之间的关系。 2、设计了一种叉指式硅微加速度计,利用有限元分析软件对其进行了模态分析。支撑梁弹性系数的仿真结果与理论计算值相符,检测模态频率远远低于其它模态频率,减小了交叉耦合误差。建立了叉指式硅微加速度计的等效电路模型,并利用PSpice软件对其阶跃响应进行了仿真分析。 3、研究了微小电容检测的基本原理和实现方法,对积分器和缓冲器两种微电容检测方法进行了分析比较,设计了基于积分器的开环检测电路和利用静电力反馈的闭环检测电路,详细介绍了信号检测电路的具体实现方案。 4、对开环微加速度计和闭环微加速度计的性能进行了测试,测试结果表明,开环微加速度计的刻度因子为0.185V/g ,线性度为1.3%,闭环微加速度计的刻度因子为3V/g,线性度为2.5%。
【关键词】：微电子机械系统 微加速度计 结构设计 有限元仿真 微电容检测
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TH824.4
【目录】：

• 摘要9-10
• ABSTRACT10-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 加速度计概述11-12
• 1.2 微机械加速度计的发展12-15
• 1.2.1 微机械加速度计的发展概述12-13
• 1.2.2 微机械加速度计的分类13
• 1.2.3 微机械加速度计的应用13-15
• 1.3 硅微机械加速度计简介15-18
• 1.3.1 叉指式硅微加速度计16-17
• 1.3.2 扭摆式硅微加速度计17
• 1.3.3 “三明治”摆式硅微加速度计17-18
• 1.4 研究意义和主要工作内容18-19
• 1.5 本章小结19-20
• 第二章 叉指式硅微加速度计的理论分析20-29
• 2.1 加速度计的原理20-21
• 2.2 压膜阻尼模型21-22
• 2.3 微弹性支撑梁模型与计算22-27
• 2.4 平行板电容器的电压控制静电驱动27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第三章 叉指式硅微加速度计的设计与电学模拟29-40
• 3.1 结构设计29-32
• 3.1.1 U 型梁的弹性系数30-31
• 3.1.2 差动电容的变化31-32
• 3.2 有限元仿真32-35
• 3.2.1 模态分析32-35
• 3.2.2 意外冲击的仿真研究35
• 3.3 微加速度计电学模拟35-38
• 3.4 微加速度计的制作流程38-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第四章 叉指式硅微加速度计输出信号的检测40-59
• 4.1 电容式微加速度计的检测原理40-41
• 4.2 微小电容的检测方法41-43
• 4.2.1 缓冲器电容检测方法41-42
• 4.2.2 积分器电容检测方法42-43
• 4.3 叉指式硅微加速度计的信号检测43-58
• 4.3.1 微加速度计开环检测43-45
• 4.3.2 微加速度计闭环检测45-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第五章 叉指式硅微加速度计的测试59-64
• 5.1 测试系统介绍60-61
• 5.1.1 主要性能指标60
• 5.1.2 测试设备及测试条件60-61
• 5.2 测试结果与性能分析61-63
• 5.2.1 基于MS3110 的开环微加速度计的测试61-62
• 5.2.2 闭环微加速度计的测试62-63
• 5.3 本章小结63-64
• 第六章 全文总结与未来工作展望64-65
• 6.1 全文总结64
• 6.2 未来工作展望64-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-68
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文68

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 陈颖慧;唐彬;施志贵;谢国芬;;减小交叉耦合的三维微加速度计的设计[J];微纳电子技术;2013年02期

2 王虎;薛东岩;;基于LabVIEW的轿车电动座盆检测平台[J];长春工业大学学报(自然科学版);2012年01期

3 马跃;李松;李莹;翁寅侃;;加速度计信号处理的建模与仿真[J];计算机仿真;2012年03期

4 李士林;王明泉;康晓月;赵奇;;断细药的微小电容检测方法[J];探测与控制学报;2010年06期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 戴强;基于SOI的电容式微加速度计器件物理模型与实验研究[D];电子科技大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 尹立鹏;光电跟踪数字化加速度传感系统的研究[D];长春工业大学;2010年

2 霍卫红;一种新型静电驱动增加检测电容的微惯性传感器研究[D];杭州电子科技大学;2011年

3 王晓迪;嵌入可动电极的微惯性传感器的设计与相关IC检测电路研究[D];杭州电子科技大学;2012年

4 刘保庆;动态下MEMS酒杯式谐振器性能研究[D];杭州电子科技大学;2012年

  本文关键词：叉指式硅微机械加速度计设计与检测技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：307698