硅微机械加速度计零位偏移的影响因素研究

论文摘要

目前已受到国内外广泛关注的硅微机械加速度计,有许多极具诱惑力的特殊优点,但硅微机械系统普遍存在零位偏移大、启动时间过长、动态性能差的缺点,而由于其体积小,干扰因素多,直接检测其动态性能非常困难。零位偏移是衡量微加速度计动态特性的重要指标,研究微加速度计的动态特性,从理论分析入手,寻找导致其零位偏移的原因,对硅微机械系统的理论与应用有重要的意义。本文结合微电子机械系统(MEMS)中常用的传感器—电容齿梳硅微机械加速度计的研究,分析了导致微机械传感器零位偏移各种可能因素。全文介绍了常用的微结构静电力的计算及微加速度计的检测原理,介绍了微结构中考虑气体可压缩性的气膜阻尼理论,介绍了线微加速度计的静电驱动模型,并跟据某微加速度计的参数仿真、分析出了理想的微加速度计动态响应曲线。建立了加速度计中弹性微梁的有限元模型,计算了折叠梁的等效刚度,利用ANSYS软件对弹性微梁进行了模态分析,提取了弹性微梁的五个非敏感自由度上的固有频率及固有振型,分析了弹性微梁对加速度计零位偏移的影响。建立了考虑加工误差的微加速度计的检测模型,分析了加工误差对加速度计检测零位的影响,分析了检测电路和系统噪声对系统检测零位的影响。建立了考虑气体压膜阻尼的微加速度计机电动力学模型,分析了压膜阻尼对加速度计检测零位的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及国内外发展情况
• 1.2 课题来源及本文的主要工作
• 第二章 微结构的静电力计算
• 2.1 微结构的静电计算概述
• 2.2 平行板电容的静电力的计算
• 2.2.1 无限大平行板电容静电力计算
• 2.2.2 矩形、圆形平行板电容的静电力的计算
• 2.3 倾斜极板间的静电力和静电力矩的计算
• 2.4 梳齿结构的静电力计算
• 2.5 电容式微加速度计检测原理
• 2.6 本章小结
• 第三章 微结构的阻尼特性
• 3.1 传统雷诺方程
• 3.2 考虑气体可压缩性的矩形平板的压膜阻尼
• 第四章 微机械加速度计的工作原理及理想的数学模型
• 4.1 加速度计工作原理
• 4.2 加速度计的基本数学模型
• 4.2.1 线加速度计的基本数学模型
• 4.2.2 摆式加速度计的基本数学模型
• 4.2.3 开环微机械加速度计的数学模型
• 4.2.4 闭环微机械加速度计的数学模型
• 4.3 考虑电容的边缘效应的微机械加速度计建模
• 4.4 本章小结
• 第五章 硅微加速度计考虑零位偏移影响因素的建模与分析
• 5.1 弹性微梁对微机械加速度计零位状态的影响
• 5.1.1 梁的形状的选取
• 5.1.2 梁的模态分析
• 5.1.3 弹性微梁对加速度计检测的影响
• 5.1.4 折叠梁的刚度对加速度计检测的影响
• 5.1.5 弹性微梁不同方向上自由度耦合对微加速度计零位状态的影响
• 5.1.6 折叠梁刚度的计算
• 5.2 加工误差对微机械加速度计零位状态的影响
• 5.3 检测电路对微机械加速度计零位状态的影响
• 5.3.1 电荷敏感差分检测电路
• 5.3.2 双采样技术的检测电路
• 5.4 微机械加速度计的热噪声对零位状态的影响
• 5.4.1 微机械加速度计的机械热噪声
• 5.4.2 微机械加速度计的电路热噪声
• 5.4.3 降低微机械加速度计的热噪声的措施
• 5.5 微加速度计动态阻尼特性分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在读期间研究成果