高精度MEMS电容式加速度传感器自标定技术研究

摘要

电容式加速度传感器由于具有温度系数小、灵敏度高、稳定性好等众多优点，是目前研制得较多的一类加速度传感器，可用于汽车电子、石油勘探、桥梁振动状态监测等领域。而对电容式加速度传感器进行标定也显得至关重要。传统加速度传感器常用机械振动台标定法，但存在着设备昂贵复杂且不方便现场标定的问题。据此，本文对使用电磁力和静电力模拟机械振动台惯性力以实现现场自标定加速度传感器进行研究。
　　本文首先介绍MEMS电容式加速度传感器中涉及的变间距式和变面积式原理，并阐述几种常用的微驱动方式和各自的利弊。然后通过分析加速度传感器的数学模型，得到传输函数和响应特性；接着基于卡氏第二定理重点推导传感器U型支撑梁弹性系数与梁尺寸参数关系并进行仿真验证，计算得出弹性梁结构竖直部位轴向形变影响只有13.1ppm。
　　其次，设计了一种集成电磁驱动现场标定功能的MEMS加速度传感器。采用电磁驱动原理，用通电导线上产生的安培力模拟传统机械振动台惯性力。给出加速度传感器结构以及用于制造传感器的体硅微加工工艺方法，用有限元仿真软件ANSYS分析了传感器的运动模态和灵敏度，实现标定特性的验证。结果表明，设计的加速度传感器谐振频率为1528.84Hz，静态位移灵敏度为0.109μm/g，电磁感应电流对标定电流影响仅为1.5ppt。且当DRIE工艺误差造成传感器结构产生1°的倾斜时，标定电流的变化小于0.16％。
　　再者，本文还将静电驱动与标定技术相结合，用变化的静电力模拟动态加速度信号，给出固定梳齿处的驱动电压公式。同时表明边缘效应的存在性并对标定电压进行修正补偿。研究显示，增大极板间距的确会加剧边缘效应影响，但添加修正因子进行补偿后，幅值处的误差从补偿前的9.34%降低至补偿后的0.27%，修正效果明显，其误差情况适用于标定高精度MEMS电容式加速度传感器。
　　最后，设计了一种新型的带自标定振动结构的电容式加速度传感器，把校准用振动结构和电容式加速度传感器实现单片设计。新结构采用静电驱动原理，在完成敏感方向标定传感器的同时实现交叉轴特性的实时测试，克服了传感器在出厂后，其性能变化后不能方便快速获知的弊端。

目录

声明

第1章 绪论

1.1传感器标定方法概述

1.2加速度传感器标定技术的国内外研究现状

1.3本文主要研究内容及工作安排

第2章 MEMS电容式加速度传感器的理论基础

2.1本章引言

2.2电容式传感器基本原理

2.3微驱动方式

2.4加速度传感器数学模型

2.5支撑梁弹性系数

2.6本章小结

第3章 集成电磁驱动现场标定功能的MEMS加速度传感器

3.1本章引言

3.2电磁驱动的自标定原理和结构设计

3.3传感器性能分析

3.4误差分析

3.5加速度传感器制作工艺

3.6本章小结

第4章 电容边缘效应对静电力标定MEMS加速度传感器的影响分析

4.1本章引言

4.2静电驱动的自标定原理

4.3电容边缘效应对自标定的影响

4.4结果分析

4.5本章小结

第5章 一种带自标定振动结构的电容式加速度传感器

5.1本章引言

5.2传感器结构设计

5.3带自标定振动结构的MEMS电容式加速度传感器工作原理

5.4本章小结

第6章 总结与展望

6.1论文总结

6.2论文的不足与展望

致谢

参考文献

附录