电容式微机械加速度传感器检测电路研究

摘要

加速度传感器是一种重要的惯性传感器，它被广泛地运用在惯性导航、消费电子、汽车电子和地质勘探等各个领域。硅微机械加速度计作为一种可以测量加速度的传感器，可分为压电式、隧道式、压阻式和电容式等。
　　 其中电容式微机械加速度传感器具有分辨率高、动态范围大、温度特性好等优点，从而得到了广泛的应用。电容式微机械加速度系统由加速度敏感元件和电容检测电路组成，因此电容检测电路的性能直接影响了电容式微机械加速度系统的整体性能，提高电容检测电路的性能是电容式微机械加速度系统设计中一个十分重要的部分。
　　 本文针对变面积电容式微机械加速度计，设计了单路载波调制型检测电路，并对其工作原理进行了分析，对电路的温度特性进行了分析和测量，最后对MEMS三轴加速度计的检测电路进行了小型化和工程化工作。
　　 本论文主要工作如下：
　　 (1)设计了单路载波调制型电容检测电路，包括载波发生模块，带通滤波模块，电荷放大模块，仪表放大模块，移相模块，同步解调模块，低通滤波模块，分析了各个模块的工作原理和限制因素。
　　 (2)针对单载波调制型检测电路，分析了各个模块的参数变化和PCB板的寄生效应等因素对检测电路的影响对系统的影响；同时重点分析了温度变化对系统的影响；针对实验室以前的单轴加速度计的检测电路受温度的影响而容易发生漂移的缺点，从降低系统功耗和改善系统热设计两个方面入手，设计了三轴加速度计的检测电路。
　　 (3)参考加速度计相关测试标准，制定了加速度计性能测试方案，建立了测试平台。根据该方案，对加速度计系统性能进行了全面的测试。
　　 测量结果表明：加速度计的标度因数为115.43mV/g，一小时之内的零偏稳定性为2.254*10—4g，启动时间约为1500s，阈值约为0．12mg，分辨率约为0.1mg，—1g～+1g的线性度为99.999％，带宽约为140Hz。

目录

文摘

英文文摘

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致谢

1 绪论

1.1引言

1.1.1微机械加速度传感器的分类

1.1.2微机械加速度传感器的应用

1.1.3微机械加速度传感器基本工作原理

1.2微机械电容式加速度计的工作原理

1.2.1变间距式电容微机械加速度计

1.2.2变面积式电容微机械加速度计

1.3论文的主要工作和意义

2 电容检测电路的研究和设计

2.1引言

2.2电容检测电路的分类

2.2.1开关型检测电路

2.2.2调制解调型检测电路

2.3单路载波调制型检测电路的设计

2.3.1载波产生模块实现方式

2.3.2带通滤波器的设计

2.3.3电容幅度调制模块的设计

2.3.4同步解调模块的设计

2.3.5低通有源滤波器的设计

2.4小结

3 单路载波调制型电容检测电路的分析

3.1引言

3.2实验室以前加速度计的测试和分析

3.3温度对系统各个组成模块的影响

3.3.1温度对载波模块的影响

3.3.2带通滤波器的参数设计及温度对带通滤波器模块的影响

3.3.3温度对电荷放大器模块的影响

3.3.4温度对仪表放大器模块的影响

3.3.5温度对同步解调模块的影响

3.3.6低通滤波器的参数设计及温度对低通滤波器模块的影响

3.4载波频率的选择

3.5寄生效应对系统的影响

3.6三轴加速度计检测电路的设计

3.7小结

4 加速度计性能检测

4.1引言

4.2刻度因数的稳定性

4.3阈值

4.4分辨率

4.5零偏稳定性

4.6启动时间

4.7频带宽度

4.8 -1g～+1g的线性度测试

4.9改进前的加速度计和改进后的加速度计测试比较

4.10小结

5 总结与展望

参考文献

作者硕士期间发表论文以及获奖情况