高精度电容式微机械加速度计零点偏置与温度特性的研究

发布时间：2017-09-10 16:42

  本文关键词：高精度电容式微机械加速度计零点偏置与温度特性的研究

  更多相关文章： 微机电系统 加速度计 零点偏置 温度补偿

【摘要】：微机电系统是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术。硅微加速度传感器作为微机械器件中的一个重要分支,具有响应快、灵敏度高、精度高、小型化、应用性广、能耗低等优点,目前已受到国内外广泛关注。零点偏置是衡量微加速度计动态特性的重要指标,其受到电容检测电路和敏感元件结构两部分的影响。温度是影响微加速度计的主要环境因素,降低系统温漂有利于提高微加速度计的检测精度和稳定性,扩大微加速度计的应用范围。 本论文以零点偏置和温漂为出发点对电容式微机械加速度计进行研究。利用静电力的作用来减小系统的零偏,优化了系统的其他性能。同时设计了基于MEMS寄生电阻的温度补偿方案,降低了系统的温漂。 本论文的主要创新性工作及成果包括以下三个方面： (1)对调制型电容式微机械加速度计系统中的主要零偏来源进行了分析,其中主要包括检测电路的不对称性、解调方法以及敏感元件的初始电容差等。 (2)设计了基于静电力的初始电容补偿方案,以减小敏感元件的初始电容差。测试结果表明,经过静电力补偿之后,系统的零偏稳定性由0.2617mg降低到了0.2333mg,零偏温度灵敏度从0.4175mg/℃减小到0.3094mg/℃,零偏重复性由2.7197mg减小到了1.8727mg。 (3)设计了一种基于MEMS寄生电阻的温度补偿方案,该方案不需要额外的补偿电路,减小了电路的面积。测试结果表明,基于静电力补偿的加速度计系统在经过温度补偿之后,系统的零偏稳定性由0.2333mg降低到了0.1423mg,零偏温度灵敏度从0.3094mg/℃减小到0.1202mg/℃。
【关键词】：微机电系统 加速度计 零点偏置 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】：2015
【分类号】：TH824.4
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目次8-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 微机械传感器概述11-15
• 1.1.1 微机械加速度计的定义11-12
• 1.1.2 微机械加速度计的分类12-14
• 1.1.3 微机械加速度计的应用14-15
• 1.2 电容式微机械加速度计的工作原理15-17
• 1.3 微机械加速度计的零偏特性概述17
• 1.4 微机械加速度计的温度特性概述17-19
• 1.5 论文的主要工作及意义19-21
• 2 电容式微机械加速度计原理与零偏影响因素分析21-36
• 2.1 电容检测电路的结构与分析21-29
• 2.1.1 调制解调型电容检测电路结构21-24
• 2.1.2 载波产生模块24-27
• 2.1.3 电容电压转换模块27-28
• 2.1.4 数字解调模块28-29
• 2.2 加速度计表头的结构与分析29-35
• 2.2.1 变面积平行板电容结构30-31
• 2.2.2 初始电容差对加速度计系统的影响31-35
• 2.3 小结35-36
• 3 系统温度特性的研究36-49
• 3.1 温度补偿方案分析36-37
• 3.2 电容检测电路分析37-39
• 3.3 数字解调部分分析39-40
• 3.4 温度对检测电路增益和相移的影响分析40-42
• 3.5 初始电容差对检测电路增益和相移的影响分析42-44
• 3.6 加速度信号对检测电路增益和相移的影响分析44-45
• 3.7 基于MEMS寄生电阻的温度补偿45-48
• 3.7.1 工作原理45-46
• 3.7.2 温度灵敏度测试46-47
• 3.7.3 稳定性测试47-48
• 3.8 小结48-49
• 4 静电力减小零偏方案的提出以及在系统中的实现49-68
• 4.1 静电力在微结构中的作用49-52
• 4.1.1 静电力的产生49-50
• 4.1.2 静电力对变面积式电容加速度计的作用50-52
• 4.2 静电力减小零偏方法的实现52-60
• 4.2.1 减小零偏的方法52-54
• 4.2.2 静电力减小零偏54-60
• 4.3 系统中的实现60-67
• 4.3.1 电路系统及结构设计61
• 4.3.2 电源管理模块设计61-62
• 4.3.3 FPGA及数字电路设计62-64
• 4.3.4 CV电路设计64-65
• 4.3.5 AD/DA模块设计65-67
• 4.4 小结67-68
• 5 系统测试与数据分析68-83
• 5.1 表头关键参数的提取68-70
• 5.2 初始电容差在静电力作用下的变化情况70-71
• 5.3 测试环境的影响71-72
• 5.4 零偏温度灵敏度测试72-75
• 5.5 零偏稳定性测试75-79
• 5.6 零偏重复性测试79-80
• 5.7 系统噪声测试80-82
• 5.8 小结82-83
• 6 总结与展望83-85
• 参考文献85-88
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 刘晓为;王超;谭晓昀;董长春;;体硅电容式双轴微加速度计的信号检测新方法[J];传感技术学报;2008年03期

，

本文编号：825467