叉指電容式集成加速度計(jì)的研究.pdf

1、本文的研究工作是圍繞著體硅電容式微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)芯片及其接口ASIC芯片研制、自檢測(cè)技術(shù)、敏感結(jié)構(gòu)與接口電路混合集成技術(shù)研究等方面展開(kāi)的。論文所取得的成果不但可以促進(jìn)加速度計(jì)向微型化與集成化方向發(fā)展，而且在國(guó)防、航天、航空，以及民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　首先，針對(duì)目前叉指電容式集成加速度計(jì)研制中缺乏系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、動(dòng)態(tài)阻尼理論與模型等問(wèn)題，以加速度計(jì)二階運(yùn)動(dòng)方程及流體動(dòng)力學(xué)方程為基礎(chǔ)，綜合分析了集成加速度系統(tǒng)的工作原理以及傳感

2、器自檢測(cè)、動(dòng)態(tài)特性等，建立相應(yīng)的理論模型。集成加速度計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包含機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子電路，分屬不同的領(lǐng)域，難以在同一專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)下進(jìn)行仿真與優(yōu)化。本論文采用等效能量法，建立了叉指電容式加速度計(jì)系統(tǒng)級(jí)電學(xué)仿真模型，構(gòu)建了集成加速度計(jì)系統(tǒng)，在專(zhuān)業(yè)仿真軟件SPICE上進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)仿真，實(shí)現(xiàn)了加速度計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)與具體接口電路的匹配優(yōu)化。論文基于流體動(dòng)力學(xué)理論，建立了非均勻配置梳齒結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)阻尼理論模型，采用該理論模型對(duì)集成加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)特

3、性進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型仿真結(jié)果相一致。在此基礎(chǔ)上完成了非均勻配置叉指加速度計(jì)梳齒結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了加速度計(jì)的阻尼最佳匹配。在加速度計(jì)自檢測(cè)技術(shù)與微機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)電耦合機(jī)理方面進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)梳齒電極靜電驅(qū)動(dòng)的特性分析與實(shí)驗(yàn)研究，建立了新的機(jī)電耦合模型，利用叉指梳齒微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了MEMS微結(jié)構(gòu)的機(jī)電耦合效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究與機(jī)電耦合模型的驗(yàn)證。利用該模型設(shè)計(jì)了新的自檢測(cè)結(jié)構(gòu)，其自檢測(cè)輸出可達(dá)5％FS。
　　其次，基于

4、以上理論模型，設(shè)計(jì)并制作出了具有自檢測(cè)功能的集成加速度計(jì)?；贒RIE體硅工藝設(shè)計(jì)了一種非均勻配置叉指結(jié)構(gòu)的差分電容式加速度計(jì)，對(duì)其進(jìn)行了仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用電荷泵技術(shù)和分時(shí)控制技術(shù)設(shè)計(jì)了CMOS自檢測(cè)電路，電荷泵可提供10V以上的驅(qū)動(dòng)電壓，分時(shí)控制電路可隔離高壓驅(qū)動(dòng)對(duì)電容檢測(cè)電路的耦合，避免高壓自檢測(cè)電壓與檢測(cè)電路的影響，實(shí)現(xiàn)了CMOS接口處理集成電路與體硅結(jié)構(gòu)叉指電容式加速度計(jì)兩芯片集成系統(tǒng)的自檢測(cè)功能。鑒于叉指電容式加速度計(jì)靜態(tài)電

5、容小，靜電驅(qū)動(dòng)能力差，難以閉環(huán)工作等不足，提出了一種新的適合閉環(huán)工作的框架質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)加速度計(jì)，實(shí)現(xiàn)了叉指電容式加速度計(jì)的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)，該傳感器具有閉環(huán)增益高，噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。
　　最后利用國(guó)防科工委第一計(jì)量測(cè)試研究所和中電49所的加速度計(jì)測(cè)量/標(biāo)定系統(tǒng)，對(duì)所研制的集成加速度計(jì)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目包括：靈敏度、幅頻響應(yīng)、線(xiàn)性度、最大橫向靈敏度比等。測(cè)試結(jié)果為，集成加速度計(jì)量程：±50g，靈敏度：15mV/g，翻滾試驗(yàn)的一階線(xiàn)性模型的