MEMS電容式傳感器的批量標(biāo)定方法研究.pdf

1、傳統(tǒng)的高精度MEMS加速度傳感器,常用機(jī)械振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定,這種標(biāo)定方法操作繁瑣、標(biāo)定效率低下。而隨著高精度MEMS傳感器大批量生產(chǎn),振動(dòng)臺(tái)逐個(gè)標(biāo)定的方法弊端更加明顯,無(wú)法滿足批量標(biāo)定的要求。據(jù)此本文采用動(dòng)態(tài)靜電力模擬標(biāo)準(zhǔn)加速度信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)電容式MEMS傳感器的自標(biāo)定,以提高電容式高精度微加速度傳感器的標(biāo)定效率。
　　第1章闡述了本文的研究目的和意義。首先介紹了傳感器標(biāo)定的目的及意義以及標(biāo)定方法的分類;然后介紹了MEMS加速度傳感

2、器的幾種常用標(biāo)定方法;接著介紹了MEMS加速度傳感器自標(biāo)定方法的產(chǎn)生和發(fā)展以及研究現(xiàn)狀,并指出了其發(fā)展趨勢(shì);再重點(diǎn)介紹了本文的主要研究目的;最后簡(jiǎn)單介紹了本文的主要研究?jī)?nèi)容及工作安排。
　　第2章研究了高精度MEMS加速度傳感器的自標(biāo)定原理。首先介紹了變間距式和變面積式電容式傳感器的基本原理;然后介紹了電容式傳感器的靜電驅(qū)動(dòng)原理;接著簡(jiǎn)單介紹了加速度傳感器的基本數(shù)學(xué)模型;最后重點(diǎn)研究了傳感器模型在開(kāi)環(huán)和閉環(huán)工作狀態(tài)下的自標(biāo)定原理,

3、并分析了實(shí)現(xiàn)傳感器自標(biāo)定的方法。
　　第3章研究了電容邊緣效應(yīng)對(duì)自標(biāo)定方法的影響。首先介紹了電容極板的邊緣效應(yīng)及其對(duì)靜電力的影響;然后分別從開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種工作狀態(tài)分析了邊緣效應(yīng)對(duì)高精度MEMS電容式加速度傳感器自標(biāo)定的影響;最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:傳感器在閉環(huán)工作狀態(tài)下,邊緣效應(yīng)引起的自標(biāo)定誤差僅為0.18％,理論誤差接近于激光干涉儀絕對(duì)標(biāo)定法的誤差(0.5%-1%),符合高精度加速度傳感器的標(biāo)定要求;在開(kāi)環(huán)工作狀態(tài)下

4、,邊緣效應(yīng)引起的自標(biāo)定誤差較大,高達(dá)24.2%,但可通過(guò)修正將自標(biāo)定誤差降低到1.49%,也能滿足部分傳感器的標(biāo)定要求。
　　第4章研究了DRIE工藝誤差對(duì)自標(biāo)定方法的影響。首先簡(jiǎn)單分析了DRIE工藝的誤差(梳齒傾斜角)及其對(duì)靜電力的影響;然后分別分析了開(kāi)環(huán)和閉環(huán)工作狀態(tài)下,梳齒傾斜角對(duì)加速度傳感器自標(biāo)定的影響;最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:傳感器工作在開(kāi)環(huán)電路時(shí),梳齒的傾斜對(duì)傳感器自標(biāo)定影響明顯,傾斜角為0.1時(shí),自標(biāo)定誤

5、差約為10%,傾斜角為0.5時(shí),自標(biāo)定誤差約為32%,傾斜角為0.5時(shí),極板發(fā)生吸合;傳感器工作在閉環(huán)電路下,當(dāng)傾斜角小于0.5時(shí),自標(biāo)定的誤差小于0.6%,證明在閉環(huán)狀態(tài)下傾斜角對(duì)傳感器自標(biāo)定的精度影響很小,基本可以忽略。
　　第5章設(shè)計(jì)了一種新型的帶自標(biāo)定功能的傳感器。首先介紹了新型傳感器的整體結(jié)構(gòu)及參數(shù);接著對(duì)新型傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析和靜態(tài)靈敏度分析;最后通過(guò)計(jì)算表明新型傳感器結(jié)構(gòu)可大幅提高傳感器驅(qū)動(dòng)能力,增大自標(biāo)定量程