靜電剛度諧振式微加速度計相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、諧振式微加速度計是基于MEMS制作技術(shù)的、具有穩(wěn)定性好和準(zhǔn)數(shù)字的頻率信號輸出等優(yōu)點(diǎn)的新型微加速度計。論文系統(tǒng)地研究了靜電剛度諧振式微加速度計原理、制作、信號處理、測試方法等相關(guān)理論和技術(shù),并對制作的樣機(jī)進(jìn)行了測試。
　　 論文的主要研究工作可概括如下:
　　 介紹了微機(jī)械加速度計的需求概況,總結(jié)對比了各種類型微加速度計的特點(diǎn),分析了微機(jī)械諧振式加速度計國內(nèi)外研制現(xiàn)狀,歸納了研制中存在的問題。提出了靜電剛度諧振式微加速度計

2、的研究思路、內(nèi)容和方法。
　　 介紹了平板電容存在靜電負(fù)剛度的原理,并分析了如何將靜電負(fù)剛度應(yīng)用于諧振式微加速度計的設(shè)計中,根據(jù)靜電剛度諧振式微加速度計的動力學(xué)原理,確定了結(jié)構(gòu)參數(shù)和加載電壓對靈敏度的影響,得到了量程、靈敏度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相互制約的關(guān)系。分析了頻率差分雙端固支音叉梁的動力學(xué)原理,提出通過減小音叉梁固定連接端剛度的方法來抑制面內(nèi)低階模態(tài)的干擾,并進(jìn)行了有限元仿真驗證,為合理設(shè)計音叉梁結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。分析了靜電驅(qū)動力對

3、加速度計分辨率和輸出頻率穩(wěn)定度的影響,確定了閉環(huán)驅(qū)動控制的要求。
　　 介紹了鍵合后深刻蝕體硅工藝過程,對設(shè)計的靜電剛度諧振式微加速度計表芯進(jìn)行了流片。對制造的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了幾何尺寸的光學(xué)靜態(tài)測量,確定了微結(jié)構(gòu)諧振頻率的范圍。利用激光頻閃干涉測量技術(shù)和計算機(jī)視覺技術(shù)相結(jié)合方法,對挑選好的裸片進(jìn)行了開環(huán)特性動態(tài)測試,發(fā)現(xiàn)了同頻干擾現(xiàn)象。針對微機(jī)械諧振式電容傳感器中普遍存在的同頻干擾問題,分析了干擾來源,提出從微結(jié)構(gòu)版圖布局及結(jié)構(gòu)差分

4、設(shè)計、頻率調(diào)制解調(diào)等幾個方面的干擾抑制方法,為了驗證方法的有效性和普適性,針對相同工藝制造的具有相同測控要求的微機(jī)械諧振陀螺進(jìn)行了實驗研究,成功利用高頻方波調(diào)制、模擬開關(guān)解調(diào)方法實現(xiàn)了微機(jī)械陀螺開環(huán)特性的測量,真空圓形儲能焊封裝下驅(qū)動模態(tài)對應(yīng)的諧振頻率為13.552kHz,品質(zhì)因數(shù)Q約為1800。
　　 根據(jù)靜電驅(qū)動的微機(jī)械諧振傳感器閉環(huán)恒幅驅(qū)動的共性要求,確定了振動幅度的自動增益控制方案,鑒于真空封裝下微機(jī)械諧振傳感器系統(tǒng)的高

5、階弱非線性,提出采用近似平均法求解系統(tǒng)的平衡點(diǎn)及線性化后分析系統(tǒng)的穩(wěn)定條件。建立了多種條件下以靜電剛度諧振式微加速度計為例的微機(jī)械諧振傳感器的閉環(huán)線性反饋的自激驅(qū)動分析模型,理論分析和實驗測試表明,只有直流參考電壓大于起振臨界條件,系統(tǒng)才能從不穩(wěn)定平衡點(diǎn)過渡到穩(wěn)定平衡點(diǎn);系統(tǒng)相位偏離相位平衡條件將導(dǎo)致驅(qū)動力頻率發(fā)生變化,太大的偏差系統(tǒng)將不能起振;調(diào)節(jié)濾波器的時間常數(shù)可以改變動態(tài)起振時間;當(dāng)諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)變化時,自動增益控制環(huán)在沒有P

6、I控制器下無法實現(xiàn)恒幅驅(qū)動。在PI控制器作用下,穩(wěn)念振幅只與直流參考電壓大小有關(guān),但PI控制器的參數(shù)需要滿足約束條件,不同的參數(shù)對應(yīng)不同的動態(tài)性能,穩(wěn)態(tài)值不受影響。鑒于加速度計表芯制造進(jìn)度的滯后,前期采用微機(jī)械諧振陀螺對上述理論分析結(jié)論進(jìn)行了實驗驗證,利用自激原理成功實現(xiàn)了陀螺的穩(wěn)定起振,10分鐘內(nèi)頻率最大偏離穩(wěn)態(tài)值為0.04Hz,輸出信噪比達(dá)到80dB,實驗結(jié)果與理論分析結(jié)論相吻合。
　　 在微機(jī)械諧振傳感器的結(jié)構(gòu)封裝品質(zhì)因數(shù)

7、較小時,分析了在幅度開環(huán)控制下,單一的鎖相環(huán)控制下的系統(tǒng)行為,理論分析和仿真表明,要實現(xiàn)穩(wěn)定的閉環(huán)頻率跟蹤,積分控制器需要滿足約束條件;在諧振頻率變化條件下,不能實現(xiàn)恒幅驅(qū)動。在加入幅度自動增益控制環(huán)后,幅度控制環(huán)和頻率跟蹤環(huán)相互耦合;有PI控制器可以實現(xiàn)恒幅驅(qū)動和穩(wěn)定的頻率跟蹤,但PI控制器參數(shù)的選擇需要滿足穩(wěn)定條件,參數(shù)還影響系統(tǒng)的動態(tài)性能。
　　 對制造的靜電剛度諧振式微加速度計利用前述頻率調(diào)制解調(diào)方法進(jìn)行了開環(huán)測試,測得

8、在直流驅(qū)動電壓為15V,交流電壓峰-峰值5V條件下,檢測端固定電容大約為0.4pF,測試結(jié)果與有限元分析相一致,變化電容大約為3.1fF。諧振頻率約為35.746kHz,品質(zhì)因數(shù)約為1400,再次驗證了該干擾抑制方法的有效性。利用前述自激驅(qū)動方法成功實現(xiàn)了靜電剛度諧振式微加速度計的穩(wěn)定諧振,在閉環(huán)翻轉(zhuǎn)測試中,在檢測端加載1V直流電壓時,靈敏度為18Hz/g;加載5V直流電壓時,靈敏度為58Hz/g,閉環(huán)諧振頻率10分鐘內(nèi)最大偏差0.2H