高精度电容式微机械加速度计零点偏置与温度特性的研究

摘要

微机电系统是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术。硅微加速度传感器作为微机械器件中的一个重要分支，具有响应快、灵敏度高、精度高、小型化、应用性广、能耗低等优点，目前已受到国内外广泛关注。零点偏置是衡量微加速度计动态特性的重要指标，其受到电容检测电路和敏感元件结构两部分的影响。温度是影响微加速度计的主要环境因素，降低系统温漂有利于提高微加速度计的检测精度和稳定性，扩大微加速度计的应用范围。
　　本论文以零点偏置和温漂为出发点对电容式微机械加速度计进行研究。利用静电力的作用来减小系统的零偏，优化了系统的其他性能。同时设计了基于MEMS寄生电阻的温度补偿方案，降低了系统的温漂。
　　本论文的主要创新性工作及成果包括以下三个方面:
　　(1)对调制型电容式微机械加速度计系统中的主要零偏来源进行了分析，其中主要包括检测电路的不对称性、解调方法以及敏感元件的初始电容差等。
　　(2)设计了基于静电力的初始电容补偿方案，以减小敏感元件的初始电容差。测试结果表明，经过静电力补偿之后，系统的零偏稳定性由0.2617mg降低到了0.2333mg，零偏温度灵敏度从0.4175mg/℃减小到0.3094mg/℃，零偏重复性由2.7197mg减小到了1.8727mg。
　　(3)设计了一种基于MEMS寄生电阻的温度补偿方案，该方案不需要额外的补偿电路，减小了电路的面积。测试结果表明，基于静电力补偿的加速度计系统在经过温度补偿之后，系统的零偏稳定性由0.2333mg降低到了0.1423mg，零偏温度灵敏度从0.3094mg/℃减小到0.1202mg/℃。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 微机械传感器概述

1．1．1 微机械加速度计的定义

1．1．2 微机械加速度计的分类

1．1．3 微机械加速度计的应用

1．2 电容式微机械加速度计的工作原理

1．3 微机械加速度计的零偏特性概述

1．4 微机械加速度计的温度特性概述

1．5 论文的主要工作及意义

2 电容式微机械加速度计原理与零偏影响因素分析

2．1 电容检测电路的结构与分析

2．1．1 调制解调型电容检测电路结构

2．1．2 载波产生模块

2．1．3 电容电压转换模块

2．1．4 数字解调模块

2．2 加速度计表头的结构与分析

2．2．1 交面积平行板电容结构

2．2．2 初始电容差对加速度计系统的影响

2．3 小结

3 系统温度特性的研究

3．1 温度补偿方案分析

3．2 电容检测电路分析

3．3 数字解调部分分析

3．4 温度对检测电路增益和相移的影响分析

3．5 初始电容差对检测电路增益和相移的影响分析

3．6 加速度信号对检测电路增益和相移的影响分析

3．7 基于MEMS寄生电阻的温度补偿

3．7．1 工作原理

3．7．2 温度灵敏度测试

3．7．3 稳定性测试

3．8 小结

4 静电力减小零偏方案的提出以及在系统中的实现

4．1 静电力在微结构中的作用

4．1．1 静电力的产生

4．1．2 静电力对变面积式电容加速度计的作用

4．2 静电力减小零偏方法的实现

4．2．1 减小零偏的方法

4．2．2 静电力减小零偏

4．3 系统中的实现

4．3．1 电路系统及结构设计

4．3．2 电源管理模块设计

4．3．3 FPGA及数字电路设计

4．3．4 CV电路设计

4．3．5 AD／DA模块设计

4．4 小结

5 系统测试与数据分析

5．1 表头关键参数的提取

5．2 初始电容差在静电力作用下的变化情况

5．3 测试环境的影响

5．4 零偏温度灵敏度测试

5．5 零偏稳定性测试

5．6 零偏重复性测试

5．7 系统噪声测试

5．8 小结

6 总结与展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果