叉指電容式集成加速度計的研究.pdf

1、本文的研究工作是圍繞著體硅電容式微加速度計結(jié)構(gòu)芯片及其接口ASIC芯片研制、自檢測技術(shù)、敏感結(jié)構(gòu)與接口電路混合集成技術(shù)研究等方面展開的。論文所取得的成果不但可以促進加速度計向微型化與集成化方向發(fā)展，而且在國防、航天、航空，以及民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　首先，針對目前叉指電容式集成加速度計研制中缺乏系統(tǒng)設(shè)計方法、動態(tài)阻尼理論與模型等問題，以加速度計二階運動方程及流體動力學(xué)方程為基礎(chǔ)，綜合分析了集成加速度系統(tǒng)的工作原理以及傳感

2、器自檢測、動態(tài)特性等，建立相應(yīng)的理論模型。集成加速度計系統(tǒng)設(shè)計中包含機械結(jié)構(gòu)與電子電路，分屬不同的領(lǐng)域，難以在同一專業(yè)設(shè)計平臺下進行仿真與優(yōu)化。本論文采用等效能量法，建立了叉指電容式加速度計系統(tǒng)級電學(xué)仿真模型，構(gòu)建了集成加速度計系統(tǒng)，在專業(yè)仿真軟件SPICE上進行了系統(tǒng)級仿真，實現(xiàn)了加速度計機械結(jié)構(gòu)與具體接口電路的匹配優(yōu)化。論文基于流體動力學(xué)理論，建立了非均勻配置梳齒結(jié)構(gòu)的加速度計的動態(tài)阻尼理論模型，采用該理論模型對集成加速度計的動態(tài)特

3、性進行了理論分析與實驗研究，實驗結(jié)果與理論模型仿真結(jié)果相一致。在此基礎(chǔ)上完成了非均勻配置叉指加速度計梳齒結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計，實現(xiàn)了加速度計的阻尼最佳匹配。在加速度計自檢測技術(shù)與微機械結(jié)構(gòu)機電耦合機理方面進行了研究，通過對梳齒電極靜電驅(qū)動的特性分析與實驗研究，建立了新的機電耦合模型，利用叉指梳齒微結(jié)構(gòu)進行了MEMS微結(jié)構(gòu)的機電耦合效應(yīng)實驗研究與機電耦合模型的驗證。利用該模型設(shè)計了新的自檢測結(jié)構(gòu)，其自檢測輸出可達5％FS。
　　其次，基于

4、以上理論模型，設(shè)計并制作出了具有自檢測功能的集成加速度計?；贒RIE體硅工藝設(shè)計了一種非均勻配置叉指結(jié)構(gòu)的差分電容式加速度計，對其進行了仿真與優(yōu)化設(shè)計。采用電荷泵技術(shù)和分時控制技術(shù)設(shè)計了CMOS自檢測電路，電荷泵可提供10V以上的驅(qū)動電壓，分時控制電路可隔離高壓驅(qū)動對電容檢測電路的耦合，避免高壓自檢測電壓與檢測電路的影響，實現(xiàn)了CMOS接口處理集成電路與體硅結(jié)構(gòu)叉指電容式加速度計兩芯片集成系統(tǒng)的自檢測功能。鑒于叉指電容式加速度計靜態(tài)電

5、容小，靜電驅(qū)動能力差，難以閉環(huán)工作等不足，提出了一種新的適合閉環(huán)工作的框架質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)加速度計，實現(xiàn)了叉指電容式加速度計的閉環(huán)驅(qū)動與檢測，該傳感器具有閉環(huán)增益高，噪聲低等優(yōu)點。
　　最后利用國防科工委第一計量測試研究所和中電49所的加速度計測量/標定系統(tǒng)，對所研制的集成加速度計進行了測試。測試項目包括：靈敏度、幅頻響應(yīng)、線性度、最大橫向靈敏度比等。測試結(jié)果為，集成加速度計量程：±50g，靈敏度：15mV/g，翻滾試驗的一階線性模型的