硅微机械加速度计零位偏移的影响因素研究

摘要

目前已受到国内外广泛关注的硅微机械加速度计，有许多极具诱惑力的特殊优点，但硅微机械系统普遍存在零位偏移大、启动时间过长、动态性能差的缺点，而由于其体积小，干扰因素多，直接检测其动态性能非常困难。 零位偏移是衡量微加速度计动态特性的重要指标，研究微加速度计的动态特性，从理论分析入手，寻找导致其零位偏移的原因，对硅微机械系统的理论与应用有重要的意义。本文结合微电子机械系统(MEMS)中常用的传感器一电容齿梳硅微机械加速度计的研究，分析了导致微机械传感器零位偏移各种可能因素。 全文介绍了常用的微结构静电力的计算及微加速度计的检测原理，介绍了微结构中考虑气体可压缩性的气膜阻尼理论，介绍了线微加速度计的静电驱动模型，并跟据某微加速度计的参数仿真、分析出了理想的微加速度计动态响应曲线。建立了加速度计中弹性微梁的有限元模型，计算了折叠梁的等效刚度，利用ANSYS软件对弹性微梁进行了模态分析，提取了弹性微梁的五个非敏感自由度上的固有频率及固有振型，分析了弹性微梁对加速度计零位偏移的影响。建立了考虑加工误差的微加速度计的检测模型，分析了加工误差对加速度计检测零位的影响，分析了检测电路和系统噪声对系统检测零位的影响。建立了考虑气体压膜阻尼的微加速度计机电动力学模型，分析了压膜阻尼对加速度计检测零位的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景及国内外发展情况

1.2课题来源及本文的主要工作

第二章微结构的静电力计算

2.1微结构的静电计算概述

2.2平行板电容的静电力的计算

2.2.1无限大平行板电容静电力计算

2.2.2矩形、圆形平行板电容的静电力的计算

2.3倾斜极板间的静电力和静电力矩的计算

2.4梳齿结构的静电力计算

2.5电容式微加速度计检测原理

2.6本章小结

第三章微结构的阻尼特性

3.1传统雷诺方程

3.2考虑气体可压缩性的矩形平板的压膜阻尼

第四章微机械加速度计的工作原理及理想的数学模型

4.1加速度计工作原理

4.2加速度计的基本数学模型

4.2.1线加速度计的基本数学模型

4.2.2摆式加速度计的基本数学模型

4.2.3开环微机械加速度计的数学模型

4.2.4闭环微机械加速度计的数学模型

4.3考虑电容的边缘效应的微机械加速度计建模

4.4本章小结

第五章硅微加速度计考虑零位偏移影响因素的建模与分析

5.1弹性微梁对微机械加速度计零位状态的影响

5.1.1梁的形状的选取

5.1.2梁的模态分析

5.1.3弹性微梁对加速度计检测的影响

5.1.4折叠梁的刚度对加速度计检测的影响

5.1.5弹性微梁不同方向上自由度耦合对微加速度计零位状态的影响

5.1.6折叠梁刚度的计算

5.2加工误差对微机械加速度计零位状态的影响

5.3检测电路对微机械加速度计零位状态的影响

5.3.1电荷敏感差分检测电路

5.3.2双采样技术的检测电路

5.4微机械加速度计的热噪声对零位状态的影响

5.4.1微机械加速度计的机械热噪声

5.4.2微机械加速度计的电路热噪声

5.4.3降低微机械加速度计的热噪声的措施

5.5微加速度计动态阻尼特性分析

5.6本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

在读期间研究成果