三維電容式微加速度傳感器的設(shè)計與相關(guān)特性研究.pdf

1、MEMS電容式加速度傳感器具有靈敏度高、溫度系數(shù)小、功耗和成本低等優(yōu)點，已經(jīng)在汽車、工業(yè)、消費電子、石油探測、導(dǎo)航等領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用，具有非常廣闊的市場前景和研究潛力。
　　 本論文首先分析了不同檢測電容結(jié)構(gòu)對MEMS電容式傳感器性能的影響。結(jié)果表明柵形電容結(jié)構(gòu)的振子質(zhì)量最大，空氣阻尼力最小，有更小的機(jī)械噪聲和更高電容靈敏度；梳齒電容結(jié)構(gòu)的振子質(zhì)量較小，有較大的機(jī)械噪聲和小的電容靈敏度；而采用梳柵電容結(jié)構(gòu)的特點居于兩者之

2、間，適合制作需要折衷考慮靈敏度和分辨率的傳感器。
　　 據(jù)此，論文設(shè)計了一種電磁驅(qū)動增大檢測電容的加速度傳感器，并利用有限元軟件ANSYS對傳感器件的運動模態(tài)、靜態(tài)靈敏度和抗沖擊能力進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明在非敏感方向上支撐梁的剛度較大，對加速度信號的靈敏度較低，從而大大抑制了傳感器的軸向交叉效應(yīng)。同時傳感器在敏感方向Y軸方向上的靈敏度為0.6478μm/g，器件能夠抵擋1000g的加速度信號的沖擊。
　　 論文還利用Mat

3、lab/Simulink軟件對設(shè)計的加速度傳感器進(jìn)行了開環(huán)和閉環(huán)建模，分析了極板間距、邊緣效應(yīng)和空氣阻尼對傳感器響應(yīng)的影響，確定了傳感器極板間距的合理工作范圍。研究表明極板間距的大小對位移響應(yīng)量的影響并不大，刻蝕阻尼槽之后機(jī)械噪聲得到大大降低，傳感器的靜態(tài)電容受電容邊緣效應(yīng)的影響較大，且阻尼槽對電容邊緣效應(yīng)有一定影響。因此，通過這種方法還可以確定傳感器結(jié)構(gòu)的其他參數(shù)，從而達(dá)到優(yōu)化傳感器性能的目的。通過對開環(huán)和閉環(huán)模型仿真，結(jié)果表明開環(huán)狀

4、態(tài)下傳感器的線性可靠范圍只有-2g～2g，經(jīng)過閉環(huán)PID調(diào)節(jié)之后，傳感器在-10g～10g范圍內(nèi)也能保持良好的線性。閉環(huán)狀態(tài)下，傳感器的諧振頻率達(dá)到了1173 Hz，帶寬頻率也達(dá)到了2865 Hz。而且閉環(huán)實時系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到很大提升，調(diào)節(jié)時間也僅需3ms。
　　 論文設(shè)計了加速度傳感器的制作工藝，并初步制作了加速度傳感器和測試器件，證明了傳感器制作工藝的可行性，以及通過電磁力增加初始檢測傳感器電容的可行性。針對加速度傳感器三