低噪声电容式微加速度计结构设计与分析

摘要

电容式微加速度计以其独特的优点已经开始融入到我们生活中的各个领域，但是目前的电容式微加速度计结构自身较高的机械热噪声严重的影响了其在实际工作中的检测精度、工作稳定性以及其动态特性等性能指标。
　　本文对电容式微加速度计的机械热噪声因素进行了分析，并对机械热噪声的来源以及噪声对微加速度计结构的影响进行了理论分析。在相关理论的基础上利用MATLAB软件对结构的支撑梁、电容结构以及质量块的大小对微加速度计整体性能的影响进行了分析与研究。在此分析的基础上建立了一种低噪声电容式微加速度计结构，并通过ANSYS软件对结构进行仿真，分析了结构的相关性能。经分析结构的机械灵敏度为0μ.26 g m/，电容灵敏度为1.3pF/g，工作方向的谐振频率为978Hz，经仿真分析结构的机械热噪声为2.0μ Hz g/。结构的调节时间为3.4ms。对结构的固有频率在温度变化情况下的漂移进行了分析，并建立模型对结构进行热分析，分析表明结构的电容极板与支撑梁受温度影响较大。对机械热噪声对微加速度计结构与系统的影响进行了分析，通过分析得知结构的位移越大，噪声的影响就越大；针对机械热噪声对系统输出造成的影响，提出了改进的措施，在系统中通过对结构输出信号的调制与滤波可以有效的降低机械热噪声的干扰，并通过仿真验证了此分析，通过对输出信号的处理，使得系统的信噪比由原来的120dB提高至135dB，减小了机械热噪声对系统输出的影响。
　　最后搭建了微加速度计的系统模型，闭环增益为10，对开环系统与闭环系统进行比较分析，通过分析可以看出闭环系统可以减小机械热噪声的影响，闭环时系统的动态特性、响应特性等性能均优于开环系统，提高了系统检测的精度。

目录

低噪声电容式微加速度计结构设计与分析

STRUCTURAL DESIGN AND ANALYSIS OF LOW NOISE CAPACITIVE MICRO-ACCELEROMETER

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1课题背景

1.1.1MEMS技术简述

1.1.2微机械加速度计简述

1.2国内外研究现状

1.2.1微加速度计的分类

1.2.2国外研究现状

1.2.3国内研究现状

1.3课题的研究目的及意义

1.4本论文的主要研究内容

第2章电容式微加速度计的原理及机械热噪声模型

2.1电容式微加速度计的工作原理

2.2电容检测原理

2.3电容式微加速度计的系统工作原理

2.3.1开环系统工作原理

2.3.2闭环系统的工作原理

2.4电容式微加速度计的相关参数分析

2.4.1阻尼系数分析

2.4.2噪声分析

2.4.3机械热噪声模型的建立

2.4.4分辨率的分析

2.5本章小结

第3章低噪声微加速度计结构的设计与分析

3.1低噪声电容式微加速度计结构的分析

3.1.1机械热噪声的分析

3.1.2叉指结构的设计

3.1.3支撑梁的设计

3.1.4惯性质量块的设计

3.2电容式微加速度计结构设计与优化

3.3微加速度计结构的分析

3.3.1微加速度计结构模态分析

3.3.2微加速度计结构静态分析

3.3.3微加速度计结构的最大应力分析

3.4本章小结

第4章低噪声电容式微加速度计相关特性分析

4.1微加速度计结构动态特性的分析

4.2微加速度计温度特性的分析

4.3电容式微加速度计机械热噪声特性分析

4.3.1调制解调与滤波的分析

4.3.2机械热噪声的仿真

4.4微加速度计系统特性分析

4.5本章小结

结论

1结论

2展望

参考文献

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致谢