微机械加速度计

摘要： 为了满足高性能微机械加速度计输出数字化的应用需求,基于亚微米工艺提出了一种16位高阶∑Δ模数转换器.采用五阶前馈单比特量化的方法,实现转换器低失真输出.前级积分器采用增益增强折叠共源共栅一级运放结构,提高低频增益,减少前级运放增益非线性对转换器失真的影响.应用积分器输出摆幅优化的方法和开关电容共模反馈电路的方案降低了整体功耗.测试结果表明,当采样频率为8MHz时,小信号输入失真度低于90dB;在低功耗模式下采样频率降低到4MHz,失真度接近90dB.这种高集成大动态范围的五阶前馈∑Δ模数转换器结构实现了16位输出精度,能够满足微机械加速度计的输出信号转换要求.

摘要： Zero?bias temperature drift is a key parameter affecting the overall performance of high precision MEMS accelerometer. The direct causes of zero?bias temperature drift of accelerometer are the temperature drift of sensitive struc?ture mechanical zero position and the temperature drift of circuit zero position. In this paper, three main factors affecting zero?bias temperature coefficient of the accelerometer are analyzed. A method for testing and screening the temperature per?formance of an accelerometer servo circuit is proposed, which effectively reduces the temperature drift of the circuit zero po?sition. A full?Silicon structure is adopted, and the packaging viscose method is optimized, which greatly reduces the tem?perature drift of mechanical zero position. After these optimization steps, the temperature performance of the accelerometer has been significantly improved. The zero?bias temperature coefficient is reduced from 1.3mg／°C to 0.5mg／°C, the stabili?ty of zero bias at room temperature for 1h is 0.108mg(1σ) and the repeatability(6 times) is 0.141mg(1σ).%零偏温度漂移是影响高精度MEMS加速度计整体性能的关键指标,敏感结构机械零位的温度漂移和电路零位(电容检测电路)的温度漂移是加速度计零偏温度漂移的直接原因.分析了影响加速度计零偏温度系数的3种主要影响因素,提出了某型加速度计伺服电路温度性能测试筛选方法,有效减小了电路零位的温度漂移.采用了全硅表头,同时对表头封装粘接方式进行优化,大幅减小了表头机械零位的温度漂移.经过这些优化措施后,加速度计的温度性能得到了明显改善,零偏温度系数由 1.3mg／°C 减小到 0.5mg／°C,零偏的常温稳定性( 1h ) 达到0.108mg,重复性(6次)达到0.141mg.

摘要： 针对微机电系统(MEMS)加速度计的随机噪声对输出信号干扰的情况,提出了对加速度计噪声源及噪声类型进行辨识、估计与建模,并确定误差补偿的降噪方法,以提高加速度计精度.采用Allan方差分析法对MEMS加速度计的随机噪声进行分析,得到了影响MEMS加速度计性能的几种主要随机噪声,使用自回归滑动平均模型(ARMA)对加速度计输出数据进行数学建模,以最终预测误差(FPE)准则确定使用的模型与阶次.设计了Kalman滤波算法,对加速度计进行降噪,通过Allan方差方法对Kalman算法滤波效果进行分析.实验结果表明:Kalman滤波能有效降低加速度计的随机噪声.

摘要： 温度漂移是影响高精度、高稳定性MEMS加速度计整体工作性能的关键参数.采用有限元方法,建立了三种不同材料组合的MEMS“三明治”加速度计三维结构模型,开展热-应力耦合场仿真分析,并通过提取加速度计差动电容变化量及其变化率对温度漂移进行量化表征.结果显示,以带有薄层玻璃的单晶硅圆片作为器件盖板及衬底,并以其薄玻璃层作为绝缘层是最优的加速度计材料组合.进一步分析表明,盖板及衬底厚度达到500μm,加速度计差动电容变化率曲线趋于稳定,继续增大盖板及衬底厚度对于优化温度漂移性能无显著作用,研究结果为高性能MEMS加速度计设计提供了技术支撑.

摘要： 基于Sigma-delta Modulator(∑∆M)原理的数字闭环微机械加速度计不仅实现了力反馈闭环控制，同时直接完成信号的模数转换。基于全差分式电容微加速度设计了一种2-2级联式（MASH）高阶∑∆M闭环系统——MASH2-2，并与传统的单环路二阶、四阶∑∆M 闭环系统（SD2、SD4）进行了仿真分析比较，研制了原理样机。微加速度计是基于结构层厚度50mm的SOI硅片通过DRIE刻蚀、气态HF释放等一系列微加工工艺得到，系统电路以数字化方式集成在FPGA中。常压下测试结果表明，样机的灵敏度为0.876 V/g，噪声基底为-110 dB，零偏不稳定性为20mg，静态温漂为40.8mg/°C，量程为±20 g。%Sigma-delta modulator (∑∆M) interfaces are attractive for micromachined accelerometers since they combine the benefits of closed-loop feedback and analog-to-digital conversion at a relatively modest circuit cost. A 2-2 cascaded multi-stage-noise-shaping (MASH)∑∆M architecture, i.e. 4th-order (MASH2-2), is designed for fully differential capacitive micro-accelerometer, and simulation comparison is made between the MASH2-2 and traditional single-loop∑∆M interface (4th- and 2nd-order). Based on a silicon-on-insulator (SOI) wafer with 50mm-thickness device layer, the accelerometer is fabricated using dicing-free and dry-release processes. The hardware implementation of MASH2-2∑∆M interface circuit is based on a FPGA chip and an analog circuit. Experimental results under atmospheric pressure show that the sensitivity, noise floor, bias instability, zero offset temperature drift, and input range of MASH2-2 accelerometer is 0.876V/g,-110dB, 20mg, 55.8mg/°C, and±20g, respectively.

摘要： 电容式微机械加速度计传感器需要检测的信号十分微弱，易受电路寄生参数干扰，常采用差分检测方法。本文通过对加速度计传感器差分电容检测电路分析研究，提出检测电容匹配、差分信号对称性布局布线、敏感信号隔离与保护等创新性设计，减小微机械加速度计整表零偏，以提升整表零偏稳定性、重复性、温度滞回等关键性指标。

摘要： 目前微机械加速度计的研究方向集中于电容式、谐振式，主要使用光刻、腐蚀等以集成电路工艺为基础的硅微机械加工技术以及表面微加工和体微加工工艺。具有代表性结构的有三种加速度计：“跷跷板”摆式电容加速度计、“三明治”摆式电容加速度计和硅微谐振式加速度计。加速度计的性能指标主要包括量程、阈值、分辨率、零偏、标度因数等。加速度计测试分析的软硬件条件日渐成熟，针对特殊使用的功能与参数测试分析是研究方向。

摘要： 针对某些高过载应用场合对微机械加速度计抗冲击能力的要求,设计了一种三轴向抗冲击的梳齿电容式闭环微机械加速度计.通过分析带止档的闭环加速度计冲击响应过程,提出在敏感方向使用悬臂梳齿结构作为柔性缓冲止档可以缓冲冲击过程中微结构间的接触碰撞;在非敏感方向采用结构模态和阻尼分离的设计可减小冲击变形,耗散冲击能量.马歇特锤冲击实验表明,该加速度计能够分别承受3个轴向幅值为13 200g,脉宽约102 μs的的加速度冲击,冲击前后偏置漂移在5 mV以内.该闭环加速度计在±10g的非线性优于500×10-6,1.5h偏置稳定性为0.27 mg.设计的样机基本满足高过载环境下惯性测量的要求.

摘要： 硅微静电加速度计将静电悬浮技术与微机械加工工艺相结合,在空间微重力环境下通过降低量程可实现极高的分辨率.设计了一种玻璃-硅-玻璃三明治结构、平行六面体状检测质量、体硅加工工艺、低量程的三轴硅微静电加速度计,分析了加速度计的力平衡回路特性.采用基于DSP的数字控制器,实现了检测质量的六自由度稳定悬浮.在大气环境下测试了静电加速度计的性能.测试结果表明:加速度计x轴的带宽为88.1 Hz,量程为0.220gn;y轴的带宽为118.2Hz,量程为0.313 gn;z轴的带宽为10.7Hz,量程为3.53gn.

摘要： 为了进一步抑制加速度计信号带宽范围内的噪声,提出并设计了一种基于∑-△M的五阶多反馈谐振式(MFLR)微机械加速度计闭环控制系统,该系统通过增加额外的内部负反馈对量化噪声进行再一次整形.微机械加速度计结构为一种全差分式结构,在结构层厚度为60 μm、基底层厚度为400μm的SOI硅片上,经过光刻、溅射、深度反应离子刻蚀等工艺步骤加工而成.整个闭环控制系统的Matlab/Simulink模型首先被建立,然后采用“单位圆分析法”进行系统参数的设定,系统仿真显示:当输入幅值1gn、频率128Hz的加速度信号时,加速度计的噪声为-136.2 dB,与传统五阶MF结构的∑-△M闭环控制系统相比,在0 ～500 Hz信号带宽范围内的噪声降低了7.9dB.最后整个系统在四层PCB电路板上进行了功能性验证和测试.

摘要： 通过测试微机械加速度计(以下简称微加计)在不同温度环境下的输出情况,分析温度对微加计的偏值和标度因数的影响,利用Matlab软件进行非线性拟合,确定出一种适用于微加计的温度补偿数学模型。经理论分析和实验证明，微加计的偏值和标度因数受温度影响较大。通过对微加计温度曲线进行测试、拟合和优选，认为3阶数学模型为较合理的温度补偿曲线。试验验证，补偿后的微加计的温度稳定性得到有效提高，基本达到工程应用水平，对微加计的工程推广具有一定的实用价值。

摘要： 对于采用微传感器和接口ASIC两芯片方案来实现的微机械加速度计来说。寄生电容是影响其性能的重要因素之一。本文设计实现了电容检测接口ASIC电路，该电路采用采样电荷结构，具有对寄生电容不敏感的特点，并在标准CMOS工艺下流片实现。基于该电容检测ASIC电路，以梳齿式硅微传感器为敏感元件，采用滞后比例积分调节器，通过力平衡反馈方案设计实现了一种闭环微机械加速度计。实验结果表明:该闭环微加速度计的灵敏度为650mV/g，噪声基底为23.17μ/rt-Hz。

摘要： 梳齿式微机械加速度计是一种敏感电容极板间距变化的电容式传感器,通过静电力反馈构成力平衡式的闭环系统。为了满足稳定性、快速性等要求,需要采用校正电路。但在工程中,由于微机械加工工艺不稳定,造成微机械表头性能具有较大的离散性。本文根据控制理论结合工程试验,给出了针对不同参数进行表头校正电路设计的方法。其主要内容是通过微机械表头的转角频率和低频增益对敏感结构进行分类校正,使系统在满足带宽的前提下在全量程范围内具有要有良好的稳定裕量。并且为了适应工程应用,电路采用两级运放的简单形式,为电路冗余设计提供了方便。通过较多数量的试验验证,此种方法对闭环系统的稳定性、带宽有很好的控制作用。

摘要： 微机械加速度计作为微机电系统(MEMS)的一个重要产品,目前已经得到了广泛应用。本文首先分析了伺服微机械加速度计的工作原理和数学模型,并讨论了伺服回路和敏感元件之间的关系；然后根据梳齿式微机械加速度计的敏感元件的特性设计了相应的伺服电路；最后对加速度计的性能进行了测试,结果表明：微机械加速度计的量程为±15g,非线性度为0.0419％,阈值为0.15mg,2小时稳定性误差为0.0845mg,逐次启动重复性误差为0.156127mg.

摘要： 本文提出一种双轴电容式微机械加速度计的结构形式.采用一个质量块敏感两个正交方向的加速度,设计的弹性支撑结构巧妙地实现了正交方向的解耦,且结构稳定性好,以梳齿电容实现差动的静电驱动、电容检测.利用MATLAB软件对敏感结构参数、性能参数进行了计算、分析,用ANSYS仿真软件对敏感结构进行了静态和模态分析,从理论上验证了所提出的双轴电容式微机械加速度计整体结构的可行性.

摘要： 本文根据梳齿式硅微机械加速度的工作原理及特点,分析了静电力产生的原因,并导出静电及由静电力产生的负刚度的表达式.讨论了负刚度对系统总刚度的影响以及带来的一系列问题.在此基础上,对微机械加速度计与传统加速度计的区别作了一定的探讨.

摘要： 使用由清华大学设计和开发,并采用国内MEMS工艺线加工的微机械陀螺和微机械加速度计,设计了一型MINS/GPS组合导航系统,并进行了工程化实现。针对国内MEMS工艺水平限制造成的微机械陀螺和微机械加速度计的零偏稳定性和重复性性能的不足,提出了采用导航系统级补偿措施,以提高系统性能,并放宽惯性敏感器件性能指标,提高国产微惯性敏感器的应用可行性。通过硬件结构的设计,捷联惯性导航算法设计,传递对准算法设计与组合导航算法设计,实现了导航系统级补偿措施。对系统样机进行了静态试验、车载试验和三轴振动试验,结果表明系统性能达到应用要求,初步实现国产微惯性陀螺和加速度计的工程应用。

摘要： 谐振式微机械加速度计的微尺寸质量块引起的惯性力很小,严重制约了加速度计灵敏度的提高,因此提出采用杠杆机构放大惯性力.由于硅基微杠杆机构的各部分均为刚性连接,且杠杆的输入、输出端有约束存在,制约了杠杆的自由转动,使惯性力不能高效放大。为此,设计了基于柔性支点的杠杆机构,建立了微杠杆机构的物理和数学模型,推导出杠杆机构各部分刚度的匹配原则.利用ISIGHT软件,采用遗传算法对结构参数进行了优化.

摘要： 本文提出了一种基于ICP刻蚀以及静电键合工艺的新型微机械加速度计结构,并通过MATLAB软件对该加速度计系统进行了仿真.这种框架结构可以有效地增大结构静态电容,以便在闭环工作时能产生更大的静电力.它的整体尺寸为2 800μm×3000μm×60 μm,结构惯性质量为0.14 mgn,静态电容为3.618pF,抗过载能力超过5000 gn.通过系统仿真,该加速度计的电压灵敏度为90 mv/gn,量程为±50 gn,系统带宽是10 kHz.

摘要： 良好稳定性和大量程设计一直是困扰微惯性加速度计研制的两个难题,本文对影响微加速度计稳定性的主要因素(外置偏压和横向加速度干扰)进行了详细分析,对加速度计各参数对量程的本质影响及其相互关系进行了研究,理论分析和计算机仿真结果表明:根据给出的四梁中心悬臂结构,在典型结构参数下,惯性敏感单元可承受的最大横向加速度达2000g以上,采取质量块减薄和打孔并用的方法可以保证加速度计具有70g以上量程.

摘要： 本发明公开了一种高精度单轴光学微加速度计中抑制串扰的微机械加速度敏感结构及其制造方法，所述微机械加速度敏感结构包括一个体硅敏感质量块，四个对称分布的蟹脚型悬臂梁，连接悬臂梁的硅基底以及镀在敏感质量块表面的反射膜；敏感质量块的重心通过特别设计的微加工工艺可以确保位于悬臂梁的中心平面上，单轴光学微加速度计的敏感轴方向垂直于该中心平面，通过重心位置的调整从根本上抑制了离轴串扰；所述的微机械加速度敏感配合基于衍射光栅的光学微加速度计可以在保证高加速度测量灵敏度的前提下有效抑制离轴串扰，应用的表面微加工工艺也可与IC工艺兼容，实现大批量制作。

摘要： 本发明公开了一种高精度单轴光学微加速度计中抑制串扰的微机械加速度敏感结构及其制造方法，所述微机械加速度敏感结构包括一个体硅敏感质量块，四个对称分布的蟹脚型悬臂梁，连接悬臂梁的硅基底以及镀在敏感质量块表面的反射膜；敏感质量块的重心通过特别设计的微加工工艺可以确保位于悬臂梁的中心平面上，单轴光学微加速度计的敏感轴方向垂直于该中心平面，通过重心位置的调整从根本上抑制了离轴串扰；所述的微机械加速度敏感配合基于衍射光栅的光学微加速度计可以在保证高加速度测量灵敏度的前提下有效抑制离轴串扰，应用的表面微加工工艺也可与IC工艺兼容，实现大批量制作。

摘要： 本发明提供了一种Z轴加速度计敏感结构及Z轴加速度计，包括衬底和至少一个加速度计敏感结构组，加速度计敏感结构组包括两个加速度计敏感子结构，任一子结构均包括敏感质量块组、第一、第二偏置质量块、第一、第二弹簧支撑梁、第一、第二锚点单元、第一和第二极板，第一弹簧支撑梁分别与敏感质量块组的一侧以及第一锚点单元连接，第二弹簧支撑梁分别与敏感质量块组的另一侧以及第二锚点单元连接，第一偏置质量块与第二敏感质量块的一侧连接，第二偏置质量块与第二敏感质量块的另一侧连接，第一、第二极板与第一、第二敏感质量块一一相对设置。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中Z轴加速度计零偏的稳定性和重复性差、滞回大的技术问题。

摘要： 本发明为一种加速度计表头装接夹具及加速度计安装误差角的控制方法，加速度计表头装接夹具包括夹具底座、夹具上盖和调整结构，夹具底座内设置壳体容置腔，夹具底座用以支撑固定夹具上盖，夹具底座的外壁用于提供翻滚测试的接触面；夹具上盖用于悬挂调整结构且能扣合于夹具底座上；调整结构包括表芯固定部，表芯固定部用于能拆卸地连接固定表芯，调整结构还包括能顶抵调整表芯固定部安装角度的多个位置调整螺钉。本发明通过设计专用的加速度计表头装接夹具，随时依据表芯状态调整安装角度，表芯位置受零件加工精度以及胶粘剂固化过程影响小，提高加速度计的整体精度，降低了成本。

摘要： 本实用新型公开了一种高精度单轴光学微加速度计中抑制串扰的微机械加速度敏感结构，所述微机械加速度敏感结构包括一个体硅敏感质量块，四个对称分布的蟹脚型悬臂梁，连接悬臂梁的硅基底以及镀在敏感质量块表面的反射膜；敏感质量块的重心通过特别设计的微加工工艺可以确保位于悬臂梁的中心平面上，单轴光学微加速度计的敏感轴方向垂直于该中心平面，通过重心位置的调整从根本上抑制了离轴串扰；所述的微机械加速度敏感配合基于衍射光栅的光学微加速度计可以在保证高加速度测量灵敏度的前提下有效抑制离轴串扰，应用的表面微加工工艺也可与IC工艺兼容，实现大批量制作。

摘要： 本实用新型公开了一种超高加速度位移灵敏度的微机械敏感结构与加速度计。微机械敏感结构包括敏感质量块、镀在敏感质量块上的高反膜、相连在敏感质量块上的蛇形梁型悬臂梁以及与蛇形梁型悬臂梁末端相连的硅基底，微机械敏感结构下部与带凹槽的衬底相连，蛇形梁型悬臂梁主要由股梁、第一蜿蜒梁、第二蜿蜒梁、胫梁的四个直梁依次相连构成。本实用新型实现了超高的加速度位移灵敏度，并且仍能保证较小的离轴串扰，微加工工艺可与IC工艺兼容，流片率高，易于大批量制作，配合基于光栅干涉腔的位移读出系统可实现超高的加速度测量灵敏度和精度。

摘要： 本发明公开了一种基于机械超材料的加速度敏感机构及复合灵敏度微机械加速度计，加速度计包括加速度敏感机构、位移传感机构和灵敏度切换执行机构；加速度敏感机构包括质量块、折叠梁和机械超材料周期性结构；折叠梁的一端和机械超材料周期性结构的一端分别与质量块的两端相连，折叠梁用于为加速度敏感机构提供正刚度，机械超材料周期性结构用于提供随位移变化呈现正、负相间的刚度；灵敏度切换执行机构用于控制质量块移动到不同的刚度区域。本发明采用机械超材料周期性结构和折叠梁串行连接的方式，形成具有多个不同斜率的应力应变线性区域的柔性结构；可使加速度敏感机构的柔性结构在不同位置处具有不同的刚度，因而具有多个灵敏度。

摘要： 本发明提供一种五电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其包括依次连接的电容读出前端电路、控制器、Σ-Δ调制器以及反馈电压产生电路，其中，所述控制器包括一积分器，该积分器用于使低频域的输入为零的所述电压信号输出不为零。此外，本发明还提供了一种包含该数字闭环控制电路的五电极微机械加速度计接口电路以及五电极微机械加速度计系统。

摘要： 本发明提供一种三电极微机械加速度计数字闭环控制电路，其包括依次连接的电容读出前端电路、控制器、Σ-Δ调制器以及反馈电压产生电路，其中，所述控制器包括一积分器，该积分器用于使低频域的输入为零的所述电压信号输出不为零。此外，本发明还提供了一种包含该数字闭环控制电路的三电极微机械加速度计接口电路以及三电极微机械加速度计系统。

摘要： 本发明公开了一种基于机械超材料的加速度敏感机构及复合灵敏度微机械加速度计，加速度计包括加速度敏感机构、位移传感机构和灵敏度切换执行机构；加速度敏感机构包括质量块、折叠梁和机械超材料周期性结构；折叠梁的一端和机械超材料周期性结构的一端分别与质量块的两端相连，折叠梁用于为加速度敏感机构提供正刚度，机械超材料周期性结构用于提供随位移变化呈现正、负相间的刚度；灵敏度切换执行机构用于控制质量块移动到不同的刚度区域。本发明采用机械超材料周期性结构和折叠梁串行连接的方式，形成具有多个不同斜率的应力应变线性区域的柔性结构；可使加速度敏感机构的柔性结构在不同位置处具有不同的刚度，因而具有多个灵敏度。