發(fā)布時間：2020-07-08 00:06

【摘要】：微機械加速度計具有體積小、重量輕、低成本、批量生產等優(yōu)點,在汽車、通信、生物醫(yī)學、航空、航天等領域具有十分廣闊的應用前景。高性能微機械加速度計已經成為微傳感器領域研究熱點之一。針對目前微型三軸加速度計檢測機理單一的現(xiàn)狀,課題組提出一種基于諧振-力平衡電容復合檢測機理的體微機械單質量塊三軸加速度計結構。采用諧振梁檢測面內X/Y軸加速度,采用力平衡模式的差動電容檢測機理檢測Z軸加速度。質量塊的重心位于支撐梁的中性面內,減小了面內加速度引起的質量塊翻轉,從而使加速度計具有較小的交叉軸靈敏度。本論文主要工作是研制該三軸加速度計的檢測電路、建立加速度計的檢測系統(tǒng),并測試性能參數。在之前的工作基礎上重點開展下述兩個方面的研究工作:(1)為了實現(xiàn)對諧振梁諧振頻率的精確檢測,設計一種基于FPGA的周期自調整頻率計,并使用角度旋轉臺和標準振動臺測試了面內加速度檢測的靈敏度和交叉靈敏度。(2)采用PI校正方法優(yōu)化系統(tǒng)的頻率特性,通過力反饋環(huán)節(jié)將電信號轉換為力信號加載到質量塊上,使電容檢測系統(tǒng)工作在閉環(huán)力平衡狀態(tài)。在此基礎上建立了Z軸加速度的電容檢測系統(tǒng)的數學模型,使用Simulink軟件對系統(tǒng)的開環(huán)特性與閉環(huán)特性進行了仿真分析。研制出Z軸加速度的電容檢測電路。使用重力場翻轉法測試了開環(huán)和閉環(huán)狀態(tài)下電容檢測系統(tǒng)的靈敏度。
【學位授予單位】：中國計量大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH824.4
【圖文】：

(a) 單軸諧振式微加速度 (b) 雙軸諧振式微加速度計圖 1.1 C. Comi 制作的單軸和雙軸諧振式微加速度計[15] 劍橋大學 Zou X 報道了一種真空封裝的 MEMS 諧振式加速度計。結構如圖1.2 所示[16]。通過增大檢測質量塊的重量和改進杠桿放大系數，增大了傳感器的靈敏度。真空封裝增大了諧振器的品質因數。測試該諧振式加速度計的品質因數為 25000，靈敏度為 96Hz/g。在 1Hz 到 50Hz 的頻率變化范圍內，其分辨率小于 150ng/Hz。由于該加速度計采用表面工藝制作，為了增加質量塊的質量，通常采用增大質量塊的橫向尺寸，但這將導致制作出的芯片尺寸較大。

單軸諧振式微加速度 (b) 雙軸諧振式微圖 1.1 C. Comi 制作的單軸和雙軸諧振式微加速度計[1ou X 報道了一種真空封裝的 MEMS 諧振式加速過增大檢測質量塊的重量和改進杠桿放大系數，裝增大了諧振器的品質因數。測試該諧振式加敏度為 96Hz/g。在 1Hz 到 50Hz 的頻率變化范圍由于該加速度計采用表面工藝制作，為了增加量塊的橫向尺寸，但這將導致制作出的芯片尺

圖 1.3 R. Zhu 研制的諧振式加速度計[17] 電子學研究所傳感技術國家重點實驗室 Yanlo外加速度的差頻硅微諧振式加速度計，該加速如圖 1.4 所示[18]。質量塊通過兩個支撐梁和兩個錨點固定）支撐。由于支撐梁和諧振梁的厚度，諧振梁將產生彎曲應力。靠近支撐梁的諧振另一個諧振梁受拉伸應力，諧振頻率增加。實的 Q 值為 400，靈敏度為 584Hz/g。

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本文編號：2745811