高精度MEMS電容式加速度傳感器自標(biāo)定技術(shù)研究.pdf

1、電容式加速度傳感器由于具有溫度系數(shù)小、靈敏度高、穩(wěn)定性好等眾多優(yōu)點(diǎn)，是目前研制得較多的一類加速度傳感器，可用于汽車電子、石油勘探、橋梁振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域。而對(duì)電容式加速度傳感器進(jìn)行標(biāo)定也顯得至關(guān)重要。傳統(tǒng)加速度傳感器常用機(jī)械振動(dòng)臺(tái)標(biāo)定法，但存在著設(shè)備昂貴復(fù)雜且不方便現(xiàn)場標(biāo)定的問題。據(jù)此，本文對(duì)使用電磁力和靜電力模擬機(jī)械振動(dòng)臺(tái)慣性力以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場自標(biāo)定加速度傳感器進(jìn)行研究。
　　本文首先介紹MEMS電容式加速度傳感器中涉及的變間距式和變

2、面積式原理，并闡述幾種常用的微驅(qū)動(dòng)方式和各自的利弊。然后通過分析加速度傳感器的數(shù)學(xué)模型，得到傳輸函數(shù)和響應(yīng)特性；接著基于卡氏第二定理重點(diǎn)推導(dǎo)傳感器U型支撐梁彈性系數(shù)與梁尺寸參數(shù)關(guān)系并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，計(jì)算得出彈性梁結(jié)構(gòu)豎直部位軸向形變影響只有13.1ppm。
　　其次，設(shè)計(jì)了一種集成電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場標(biāo)定功能的MEMS加速度傳感器。采用電磁驅(qū)動(dòng)原理，用通電導(dǎo)線上產(chǎn)生的安培力模擬傳統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)臺(tái)慣性力。給出加速度傳感器結(jié)構(gòu)以及用于制造傳感器的體

3、硅微加工工藝方法，用有限元仿真軟件ANSYS分析了傳感器的運(yùn)動(dòng)模態(tài)和靈敏度，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定特性的驗(yàn)證。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的加速度傳感器諧振頻率為1528.84Hz，靜態(tài)位移靈敏度為0.109μm/g，電磁感應(yīng)電流對(duì)標(biāo)定電流影響僅為1.5ppt。且當(dāng)DRIE工藝誤差造成傳感器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生1°的傾斜時(shí)，標(biāo)定電流的變化小于0.16％。
　　再者，本文還將靜電驅(qū)動(dòng)與標(biāo)定技術(shù)相結(jié)合，用變化的靜電力模擬動(dòng)態(tài)加速度信號(hào)，給出固定梳齒處的驅(qū)動(dòng)電壓公式。同時(shí)表明

4、邊緣效應(yīng)的存在性并對(duì)標(biāo)定電壓進(jìn)行修正補(bǔ)償。研究顯示，增大極板間距的確會(huì)加劇邊緣效應(yīng)影響，但添加修正因子進(jìn)行補(bǔ)償后，幅值處的誤差從補(bǔ)償前的9.34%降低至補(bǔ)償后的0.27%，修正效果明顯，其誤差情況適用于標(biāo)定高精度MEMS電容式加速度傳感器。
　　最后，設(shè)計(jì)了一種新型的帶自標(biāo)定振動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容式加速度傳感器，把校準(zhǔn)用振動(dòng)結(jié)構(gòu)和電容式加速度傳感器實(shí)現(xiàn)單片設(shè)計(jì)。新結(jié)構(gòu)采用靜電驅(qū)動(dòng)原理，在完成敏感方向標(biāo)定傳感器的同時(shí)實(shí)現(xiàn)交叉軸特性的實(shí)時(shí)測試