小型化高精度数字式微机械加速度计的设计与实现

发布时间：2017-05-18 11:08

  本文关键词：小型化高精度数字式微机械加速度计的设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来高精度电容式微机械加速度计成为微机械领域的研究热点,成果也层出不穷。本论文旨在设计一款小型化高精度的数字式三轴加速度计,以满足导航、航空航天等高端领域的应用需求。 论文首先调研了电容式微机械加速度计的研究进展,介绍了电容式微机械加速度计的理论模型。然后对单路载波调制型电容检测电路的噪声、温漂以及不对称性进行了分析。分析结果表明,检测电路的噪声主要来源于电容电压转换电路,电路的不对称性不会影响系统线性度,但是增加了额外输出偏置,并且当不对称性较大时会影响输出噪声。 论文还对敏感元件的非理想特性进行了分析,包括铝电极间寄生电容对噪声的恶化,非欧姆接触对温漂的恶化以及交叉耦合效应对加速度检测和电容和检测的影响。 在此基础上,设计了小型化高精度数字式三轴加速度计。分析了降低采样率的影响；优化了数字解调方法；对四种温度补偿电路进行了比较,并且设计了基于体电阻的温度补偿方案。对小型化加速度计的测试表明,整机功耗小于400mW,1.5小时零偏稳定性(输出带宽200Hz)为0.06mg,本底噪声5μg/(?)Hz,±lg内非线性度0.336%,二阶非线性系数5ppm,温度补偿后零偏温漂0.3mg/℃。
【关键词】：微机电系统 加速度计 电容检测 温度补偿
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH824.4
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 目次7-9
• 1. 绪论9-21
• 1.1. 微机械传感器概述9-10
• 1.2. 微机械加速度计的分类和应用10-13
• 1.2.1. 微机械加速度计的分类10-11
• 1.2.2. 微机械加速度计的应用11-13
• 1.3. 电容式微机械加速度计的理论模型13-19
• 1.3.1. 典型的加速度计理论模型13-14
• 1.3.2. 电容式微机械加速度计理论模型14-17
• 1.3.3. 电容式微机械加速度计研究进展17-19
• 1.4. 论文的主要工作和意义19-21
• 2. 电容检测电路的原理与分析21-32
• 2.1. 电容检测电路的分类21-24
• 2.1.1. 开关型电容检测电路21-22
• 2.1.2. 调制解调型电容检测电路22-24
• 2.2. 单路载波调制型电容检测电路的设计与分析24-31
• 2.2.1. 数字式单路载波调制型电容检测电路系统设计方案24-26
• 2.2.2. 数字式单路载波调制型电容检测电路的噪声分析26-27
• 2.2.3. 数字式单路载波调制型电容检测电路的温漂分析27-30
• 2.2.4. 检测电路的不对称性对系统性能的影响30-31
• 2.3. 小结31-32
• 3. 加速度敏感元件的非理想特性对系统性能的影响32-43
• 3.1. 铝电极间寄生电容的影响32-36
• 3.1.1. 寄生电容仿真分析32-34
• 3.1.2. 寄生电容对噪声的影响34-36
• 3.2. 非欧姆接触的影响36-40
• 3.2.1. 非欧姆接触对温漂的影响36-39
• 3.2.2. 改善欧姆接触后温漂测试39-40
• 3.3. 交叉耦合的影响40-42
• 3.3.1. 交叉耦合对差分敏感电容对电容差的影响40-42
• 3.3.2. 交叉耦合对差分敏感电容对电容和的影响42
• 3.4. 小结42-43
• 4. 小型化高精度数字式电容检测电路设计43-61
• 4.1. 小型化高精度数字式三轴加速度计设计目标43-44
• 4.2. 电路系统设计及结构设计44-45
• 4.3. FPGA及数字电路设计45-50
• 4.3.1. 系统工作频率的选取45-47
• 4.3.2. 解调方法优化47-49
• 4.3.3. 数字电路资源使用量和功耗估算49-50
• 4.4. CV电路设计50-52
• 4.5. 温度补偿电路设计52-57
• 4.5.1. 几种温度补偿电路的比较53-55
• 4.5.2. 基于质量块体电阻的温度补偿电路设计55-57
• 4.6. 电源管理模块设计57-58
• 4.7. AD\DA模块设计58-59
• 4.8. 小型化数字式加速度计原理样机实物图59-60
• 4.9. 小结60-61
• 5. 小型化高精度数字式加速度计指标测试61-65
• 5.1. 测试环境的影响61-62
• 5.2. 稳定性测试62-63
• 5.3. 非线性度测试63-64
• 5.4. 小结64-65
• 6. 总结与展望65-67
• 参考文献67-70
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果70

【参考文献】

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本文编号：375886