高灵敏度MEMS加速度计亚波长光栅及柔性梁的设计与优化
发布时间：2020-03-20 02:04
【摘要】：微加速度计作为惯性导航系统的重要传感器,其中10-6-10-9g量级的微型高精度大动态范围加速度计更是先进军事与国防创新研究的热点。近年来国外的加速度计技术发展很快,但是国内在技术上尚未有明显突破,仍沿用传统的压电、电容技术等,应用级产品的精度大体上处于10-4-10-5g的水平,测量精度不高,同时动态范围较小。因此,研制出高灵敏度、大动态范围的加速度计,对于提升我国惯导技术水平具有重要意义。目前,为了进一步提高加速度计的灵敏度,新型MEMS加速度计成为了一个重要研究方向,本文针对三种新型MEMS加速度计开展了设计与优化工作,并提出了一种MEMS加速度计柔性自由梁优化设计方法。此外,针对加速度计的动态范围,本文研究了 MEMS加速度计的闭环控制系统,提出一种MEMS加速度计机械、电路闭环系统联合优化方法。现将本文的主要工作内容归纳如下:针对加速度计的灵敏度,本文研究了通过改进探测方式来提升灵敏度,提出了基于伍德异常的亚波长光栅MEMS加速度计的分析和设计方法。该设计方法的提出弥补了此类结构设计的理论空白,MEMS加速度计的灵敏度经过优化后上升了 41%。本文给出了该结构在常用波长下最优参数设计,详细分析了各个参数对于器件性能的影响。通过蒙特卡洛分析,为后续的加工和设计奠定了理论基础。在第一部分工作基础上,本文创新性地发现了一种“脉冲式”特殊伍德异常现象,并设计、优化了基于该新现象的亚波长光栅MEMS加速度计。在该现象中,光信号相对于位移的变化率提升了 8倍之多,因而基于该现象的MEMS加速度计的灵敏度也得到了 8倍的提升,本文将其命名为“脉冲式”特殊伍德异常现象。通过时域有限差分法和严格耦合波分析理论两种计算方法对该现象进行了验证,提出了两种设计和优化的方法。给出了基于该现象的MEMS加速度计的参数分析,以及常用波长下该器件的最优参数值,通过蒙特卡洛分析,研究了加工误差对该器件性能的影响。除了通过改进探测方式来提升灵敏度外,本文研究了通过改进机械结构来提升灵敏度,创新性地将柔性自由梁结构引入了机械放大MEMS加速度计中。该柔性自由梁使得加速度计的灵敏度都得到了大幅度的提升,并解决了机械放大MEMS加速度计的机械放大率和梁刚度之间的矛盾问题。本文针对MEMS柔性自由梁结构开发了一种快速优化的软件,为MEMS柔性自由梁结构的设计开辟了一种不同于复杂理论计算的新方法,大大丰富了 MEMS器件结构的多样性。针对MEMS加速度计对大动态范围的要求,本文创新性地研究了 MEMS传感器的机械、电路闭环系统级联合仿真及优化技术。该技术在提升加速度计的灵敏度的同时,增大了器件的动态范围,解决了 MEMS设计中,机械和电路分开设计的难题,实现MEMS机械设计和电路设计的优势互补,大大缩短了 MEMS设计周期。并在该技术的基础上开发了 一套优化软件,以引入柔性自由梁结构的机械放大MEMS加速度计EMΣAM(Electronic Mechanical Sigma Delta Modulator)闭环控制技术为研究对象,验证了该软件的功能,真正实现MEMS加速度计机械、电路一体化设计。
【图文】：
各样的加速度计。按照不同的系统控制方式、检测加速度方式、加工方式、工作方式、质逡逑量块悬浮方式等，加速度计有着多种分类方式。按照系统控制方式可以分为开环加速度计逡逑和闭环加速度计，如图１．１所示。按照检测加速度的方式可以分为，压阻式加速度计、压逡逑电式加速度计、基于隧道效应的加速度计、电容式加速度计、热敏式加速度计、电感式加逡逑速度计、光学加速度计等。按照加工方式可以分为，体硅微加工加速度计和表面微加工加逡逑速度计。按照工作方式可以分为，谐振式加速度计和非谐振式加速度计。按照动态范围来逡逑分类可以分为，低ｇ加速度计（低动态范围）和高ｇ加速度计（大动态范围）。按照质量逡逑块的支撑方式可以分为，磁悬浮式加速度计、静电悬浮式加速度计、气浮式加速度计、滚逡逑珠轴承式加速度计、宝石轴承式加速度计、液浮式加速度计、机械悬臂梁支撑式加速度计。逡逑按照导航级别可分为，自主导航级加速度计、战术级加速度计、惯性导航级加速度计，，如逡逑表１所示。逡逑Ｓ逦＾逡逑加＿逦敏感质量块逦信号传Ｓ逦倍号处理电路ｉ邋￥逡逑１逦１逡逑（ａ）逡逑加逦敏感？位块…一信９
由于隧道效应可以感知原子级别的位移大小，所以隧道电流式ＭＥＭＳ加速度计有超高的逡逑灵敏度，一般用于高精度重力梯度检测。逡逑－般隧道电流式ＭＥＭＳ加速度计的结构图如图１．６所示［２｜１，由于这种基于w嚨佬в﹀义系募铀俣燃葡咝远冉喜睿话阈枰尤敕蠢∠低常词迪侄栈房刂疲佣龃蟾美嗉渝义纤俣燃频奶讲夥段В煌痹谥柿靠榈纳媳砻嬉肓艘欢缘缂澹美炊詗嚨捞秸虢谐跏煎义系男ＵＫ淼捞秸氲恼爰馔ǔＭü平鹄捶乐寡趸托伪洌秸胧倜隙淌钦饫嗉铀俣燃棋义献畲蟮娜钡悖保梗梗的辏剩校躺杓屏隋逡恢炙航峁沟乃淼赖缌魇剑停牛停蛹铀俣燃疲保罚保缅义掀骷ü傻缏芳庸ぜ际趵醇庸ぃ梢允迪钟牒笃诖械缏芳苫纳杓疲徊剿跣″义狭苏逍酒某叽纾缤迹保邓尽ｅ义希靛义
本文编号：2591072
【图文】：
各样的加速度计。按照不同的系统控制方式、检测加速度方式、加工方式、工作方式、质逡逑量块悬浮方式等，加速度计有着多种分类方式。按照系统控制方式可以分为开环加速度计逡逑和闭环加速度计，如图１．１所示。按照检测加速度的方式可以分为，压阻式加速度计、压逡逑电式加速度计、基于隧道效应的加速度计、电容式加速度计、热敏式加速度计、电感式加逡逑速度计、光学加速度计等。按照加工方式可以分为，体硅微加工加速度计和表面微加工加逡逑速度计。按照工作方式可以分为，谐振式加速度计和非谐振式加速度计。按照动态范围来逡逑分类可以分为，低ｇ加速度计（低动态范围）和高ｇ加速度计（大动态范围）。按照质量逡逑块的支撑方式可以分为，磁悬浮式加速度计、静电悬浮式加速度计、气浮式加速度计、滚逡逑珠轴承式加速度计、宝石轴承式加速度计、液浮式加速度计、机械悬臂梁支撑式加速度计。逡逑按照导航级别可分为，自主导航级加速度计、战术级加速度计、惯性导航级加速度计，，如逡逑表１所示。逡逑Ｓ逦＾逡逑加＿逦敏感质量块逦信号传Ｓ逦倍号处理电路ｉ邋￥逡逑１逦１逡逑（ａ）逡逑加逦敏感？位块…一信９
由于隧道效应可以感知原子级别的位移大小，所以隧道电流式ＭＥＭＳ加速度计有超高的逡逑灵敏度，一般用于高精度重力梯度检测。逡逑－般隧道电流式ＭＥＭＳ加速度计的结构图如图１．６所示［２｜１，由于这种基于w嚨佬в﹀义系募铀俣燃葡咝远冉喜睿话阈枰尤敕蠢∠低常词迪侄栈房刂疲佣龃蟾美嗉渝义纤俣燃频奶讲夥段В煌痹谥柿靠榈纳媳砻嬉肓艘欢缘缂澹美炊詗嚨捞秸虢谐跏煎义系男ＵＫ淼捞秸氲恼爰馔ǔＭü平鹄捶乐寡趸托伪洌秸胧倜隙淌钦饫嗉铀俣燃棋义献畲蟮娜钡悖保梗梗的辏剩校躺杓屏隋逡恢炙航峁沟乃淼赖缌魇剑停牛停蛹铀俣燃疲保罚保缅义掀骷ü傻缏芳庸ぜ际趵醇庸ぃ梢允迪钟牒笃诖械缏芳苫纳杓疲徊剿跣″义狭苏逍酒某叽纾缤迹保邓尽ｅ义希靛义
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