MEMS谐振式加速度计灵敏度提升与量程自适应机制研究

发布时间：2020-05-30 18:09

【摘要】：MEMS加速度计具有体积小,重量轻,功耗低,成本低和性能可靠等优势,作为惯性导航系统的核心元件,MEMS加速度计已被广泛应用于消费电子、医疗设备、航空航天和国防军工等领域,近年来已占据中低端领域并正在逐步进入战略级精度的高端领域。随着我国社会和经济的不断发展,尤其是近年来在物联网、人工智能和大数据等新兴产业的不断投入,未来我国对高性能MEMS加速度计的需求巨大。因此,研发高性能MEMS加速度计具有重大的战略意义。MEMS谐振式加速度计是一种基于MEMS技术加工,以谐振式感应原理检测加速度的惯性传感器,一般由质量块、微杠杆机构和谐振器组成,加速度引起的质量块惯性力经由杠杆放大施加在谐振器上,从而引起谐振器固有频率的偏移,后经外围电路得到加速度值。相比于压阻式、压电式、电容式和隧道电流式等模拟信号输出MEMS加速度计,谐振式加速度计具有准数字信号输出,数字电路兼容性高,抗干扰能力强,稳定性好和精度提高潜力大等优势。除此之外,谐振式加速度计不易出现吸合现象,动态范围大,抗冲击能力强。但是,目前国外实用化的谐振式加速度计产品对我国禁运,而我国的谐振式加速度计研制尚处在实验室阶段。综合分析国内外谐振式加速度计的相关研究可以发现,当前谐振式加速度计仍然存在诸多问题,如:微杠杆机构实现灵敏度提升存在进一步优化的可能性;单纯依靠优化杠杆机构的灵敏度提升有限;结构参数一旦固定则无法实现量程的自适应;基于轴向力敏感机理的传统谐振式加速度计相对灵敏度普遍偏低(不超过1%/g)。针对以上问题,本文分别对放大机构、敏感元件和敏感机理等关键部分进行了研究,完成了可行性的论证、加速度计的加工和测试平台的搭建,并获得了初步可靠的实验结果。相关研究主要为:基于微杠杆机构的灵敏度提升机制研究,包括微杠杆机构修正模型(指导谐振式加速度计的设计)、集成双级杠杆机构的双轴谐振式加速度计及其双工模式倾角测量应用(实现高集成度和高灵敏度的双轴加速度测量和双工模式倾角测量);基于高阶模态谐振器的灵敏度提升与量程自适应机制研究,包括鱼骨形结构谐振器和多分段电极式谐振器(作为谐振式加速度计的敏感元件实现灵敏度的提升和量程的自适应);基于扰动力敏感机理的灵敏度提升与量程自适应机制研究,主要通过静电耦合扰动力的方式使加速度作用于谐振器实现高灵敏度加速度检测以及电压控制量程自适应。本文的主要研究内容包括:1.介绍了MEMS加速度计的分类和各类加速度计的工作原理以及优缺点。回顾和总结了谐振式加速度计的发展历程和研究现状,针对现有谐振式加速度计存在的问题和实际应用需求,提出了本文的研究目标、技术手段、主要研究内容和创新点。2.针对现有微杠杆机构力学模型误差较大的问题,提出了一种修正理论模型,并通过有限元仿真验证了其有效性和准确性。建立了常用单级微杠杆机构的修正模型,并在此基础上推导了双级杠杆机构的修正模型以及放大倍数的计算过程。相比于现有模型,修正模型具有更高的精度,能够更好地指导谐振式加速度计的设计,为后续章节的研究提供理论基础。3.首次提出了一种集成双级杠杆机构的双轴谐振式加速度计。对核心敏感元件——静电式DETF谐振器的工作原理、各项性能参数和等效电路学模型进行了详细的叙述。通过解耦梁结构的轴向和横向刚度差异,使该器件实现了单质量块双轴加速度检测功能。基于双级杠杆机构修正模型计算了加速度计的灵敏度,并通过系统级有限元仿真进行了验证和参数优化。基于真空开环频率响应试验台测试了谐振器的电机械特性和温度特性并进行了加速度计校准;基于闭环自激振荡电路,实现了谐振器串联谐振频率的实时追踪和加速度计分辨率的测量。双级杠杆机构最大程度地优化了微杠杆机构的性能,使加速度计具有高灵敏度的优点,而解耦梁的使用使加速度计结构紧凑,集成度高,交叉灵敏度低,具备了高灵敏度双轴加速度检测的应用潜力。4.基于高灵敏度双轴谐振式加速度计,首次在单一器件上实现了双工模式高灵敏度倾角测量应用,即小角度范围双轴倾角测量和大角度范围单轴倾角测量,从而更能够满足不同的应用需求。将器件应用于小角度范围双轴倾角测量时,由于解耦梁隔离了正交感应轴的串扰,实现了单质量块双轴倾角测量,但受限于重力分量与倾角之间的非线性,角度范围较小(±40°);将器件应用于大角度范围单轴倾角测量时,利用各谐振器频率偏移的相位差,合理选择谐振器作为敏感元件进行分段测量,即可实现单轴±90°范围的倾角测量,大大拓展了谐振式倾角计的测量范围。5.针对目前谐振式加速度计单纯依靠优化杠杆机构实现灵敏度提升的效果仍然有限以及量程不可调的问题,根据谐振器在高阶模态下力敏感性上升这一理论基础,基于鱼骨形结构和多分段电极两种设计,分别提出了鱼骨形结构高阶模态谐振器和多分段电极式高阶模谐振器,实现了谐振器一至三阶模态的激振、检测和自由切换,首次将模态可调高阶模态谐振器应用于谐振式加速度计中,通过高阶模态实现灵敏度的提升,通过模态可调实现量程的自适应。6.针对传统轴向力敏感谐振式加速度计相对灵敏度偏低的问题,首次提出基于扰动力敏感机理的高灵敏度谐振式加速度计。不同于传统谐振式加速度计,在该器件中,质量块通过静电耦合将扰动力施加在谐振器上,进而改变谐振器的固有频率,从而测量加速度,而通过调节静电耦合的电压大小即可调节灵敏度从而实现量程的自适应。此外,在设计过程中优化了质量块的感应轴方向固有频率,使器件能够满足消费应用软件的带宽需求,优化了谐振器的尺寸,使其刚度降低便于在大气压下工作,降低了由真空封装带来的高成本。最后,对本文所做的主要研究工作和取得的研究成果进行总结,根据本文的研究进展和仍然存在的问题,提出了未来工作的主要方向,并对谐振式加速度计的长远发展进行了规划和展望。
【图文】：

示意图,压阻式加速度计,加速度计,第一

（ａ）逦（ｂ）逡逑图１－１基于（ａ）位移检测法和（ｂ）直接检测法的加速度计原理示意图逡逑１．２．２ＭＥＭＳ加速度计的主要分类逡逑１）压阻式加速度计逡逑压敏电阻＼邋基逡逑ｍｍｗ逡逑图１－２压阻式加速度计简化模型逡逑压阻式加速度计是第一种问世的ＭＥＭＳ加速度计１２８］，也是第一种商业化的ＭＥＭＳ逡逑加速度计ｌｌ６ｉ。图１－２所示为压阻式加速度计的筒化模型，主要由质量块、悬臂梁、基座和逡逑压敏电阻构成，质量块由悬臂梁连接在基座上，同时，悬臂梁上集成了压敏电阻。当有加逡逑速度存在时，质量块在惯性力的作用下引起悬臂梁的弯曲，从而给压敏电阻施加拉应力或逡逑压应力，基于压阻效应，压敏电阻在应力的作用下，出现电阻值的改变。

示意图,直接检测法,位移检测,加速度计

压敏电阻＼邋基逡逑ｍｍｗ逡逑图１－２压阻式加速度计简化模型逡逑压阻式加速度计是第一种问世的ＭＥＭＳ加速度计１２８］，也是第一种商业化的ＭＥＭＳ逡逑加速度计ｌｌ６ｉ。图１－２所示为压阻式加速度计的筒化模型，主要由质量块、悬臂梁、基座和逡逑压敏电阻构成，，质量块由悬臂梁连接在基座上，同时，悬臂梁上集成了压敏电阻。当有加逡逑速度存在时，质量块在惯性力的作用下引起悬臂梁的弯曲，从而给压敏电阻施加拉应力或逡逑压应力，基于压阻效应，压敏电阻在应力的作用下，出现电阻值的改变。通过惠斯通电桥逡逑２逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TH824.4

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