【摘要】：微加速度計作為慣性導航系統(tǒng)的重要傳感器,其中10-6-10-9g量級的微型高精度大動態(tài)范圍加速度計更是先進軍事與國防創(chuàng)新研究的熱點。近年來國外的加速度計技術發(fā)展很快,但是國內在技術上尚未有明顯突破,仍沿用傳統(tǒng)的壓電、電容技術等,應用級產品的精度大體上處于10-4-10-5g的水平,測量精度不高,同時動態(tài)范圍較小。因此,研制出高靈敏度、大動態(tài)范圍的加速度計,對于提升我國慣導技術水平具有重要意義。目前,為了進一步提高加速度計的靈敏度,新型MEMS加速度計成為了一個重要研究方向,本文針對三種新型MEMS加速度計開展了設計與優(yōu)化工作,并提出了一種MEMS加速度計柔性自由梁優(yōu)化設計方法。此外,針對加速度計的動態(tài)范圍,本文研究了 MEMS加速度計的閉環(huán)控制系統(tǒng),提出一種MEMS加速度計機械、電路閉環(huán)系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化方法�，F(xiàn)將本文的主要工作內容歸納如下:針對加速度計的靈敏度,本文研究了通過改進探測方式來提升靈敏度,提出了基于伍德異常的亞波長光柵MEMS加速度計的分析和設計方法。該設計方法的提出彌補了此類結構設計的理論空白,MEMS加速度計的靈敏度經過優(yōu)化后上升了 41%。本文給出了該結構在常用波長下最優(yōu)參數(shù)設計,詳細分析了各個參數(shù)對于器件性能的影響。通過蒙特卡洛分析,為后續(xù)的加工和設計奠定了理論基礎。在第一部分工作基礎上,本文創(chuàng)新性地發(fā)現(xiàn)了一種“脈沖式”特殊伍德異�，F(xiàn)象,并設計、優(yōu)化了基于該新現(xiàn)象的亞波長光柵MEMS加速度計。在該現(xiàn)象中,光信號相對于位移的變化率提升了 8倍之多,因而基于該現(xiàn)象的MEMS加速度計的靈敏度也得到了 8倍的提升,本文將其命名為“脈沖式”特殊伍德異常現(xiàn)象。通過時域有限差分法和嚴格耦合波分析理論兩種計算方法對該現(xiàn)象進行了驗證,提出了兩種設計和優(yōu)化的方法。給出了基于該現(xiàn)象的MEMS加速度計的參數(shù)分析,以及常用波長下該器件的最優(yōu)參數(shù)值,通過蒙特卡洛分析,研究了加工誤差對該器件性能的影響。除了通過改進探測方式來提升靈敏度外,本文研究了通過改進機械結構來提升靈敏度,創(chuàng)新性地將柔性自由梁結構引入了機械放大MEMS加速度計中。該柔性自由梁使得加速度計的靈敏度都得到了大幅度的提升,并解決了機械放大MEMS加速度計的機械放大率和梁剛度之間的矛盾問題。本文針對MEMS柔性自由梁結構開發(fā)了一種快速優(yōu)化的軟件,為MEMS柔性自由梁結構的設計開辟了一種不同于復雜理論計算的新方法,大大豐富了 MEMS器件結構的多樣性。針對MEMS加速度計對大動態(tài)范圍的要求,本文創(chuàng)新性地研究了 MEMS傳感器的機械、電路閉環(huán)系統(tǒng)級聯(lián)合仿真及優(yōu)化技術。該技術在提升加速度計的靈敏度的同時,增大了器件的動態(tài)范圍,解決了 MEMS設計中,機械和電路分開設計的難題,實現(xiàn)MEMS機械設計和電路設計的優(yōu)勢互補,大大縮短了 MEMS設計周期。并在該技術的基礎上開發(fā)了 一套優(yōu)化軟件,以引入柔性自由梁結構的機械放大MEMS加速度計EMΣAM(Electronic Mechanical Sigma Delta Modulator)閉環(huán)控制技術為研究對象,驗證了該軟件的功能,真正實現(xiàn)MEMS加速度計機械、電路一體化設計。
【圖文】：

各樣的加速度計。按照不同的系統(tǒng)控制方式、檢測加速度方式、加工方式、工作方式、質逡逑量塊懸浮方式等，加速度計有著多種分類方式。按照系統(tǒng)控制方式可以分為開環(huán)加速度計逡逑和閉環(huán)加速度計，如圖１．１所示。按照檢測加速度的方式可以分為，壓阻式加速度計、壓逡逑電式加速度計、基于隧道效應的加速度計、電容式加速度計、熱敏式加速度計、電感式加逡逑速度計、光學加速度計等。按照加工方式可以分為，體硅微加工加速度計和表面微加工加逡逑速度計。按照工作方式可以分為，諧振式加速度計和非諧振式加速度計。按照動態(tài)范圍來逡逑分類可以分為，低ｇ加速度計（低動態(tài)范圍）和高ｇ加速度計（大動態(tài)范圍）。按照質量逡逑塊的支撐方式可以分為，磁懸浮式加速度計、靜電懸浮式加速度計、氣浮式加速度計、滾逡逑珠軸承式加速度計、寶石軸承式加速度計、液浮式加速度計、機械懸臂梁支撐式加速度計。逡逑按照導航級別可分為，自主導航級加速度計、戰(zhàn)術級加速度計、慣性導航級加速度計，，如逡逑表１所示。逡逑Ｓ邐＾逡逑加＿邐敏感質量塊邐信號傳Ｓ邐倍號處理電路ｉ邋￥逡逑１邐１逡逑（ａ）逡逑加邐敏感？位塊…一信９

由于隧道效應可以感知原子級別的位移大小，所以隧道電流式ＭＥＭＳ加速度計有超高的逡逑靈敏度，一般用于高精度重力梯度檢測。逡逑－般隧道電流式ＭＥＭＳ加速度計的結構圖如圖１．６所示［２｜１，由于這種基于w嚨佬в﹀義系募鈾俁燃葡咝遠冉喜�，以掗撹要加入反馈系统，涝~迪侄棧房刂�，磦蝤札e蟾美嗉渝義纖俁燃頻奶講夥段В煌痹謚柿靠櫚納媳礱嬉肓艘歡緣緙�，用来对w嚨撈秸虢諧跏煎義系男Ｕ�。隧祿平諝钀离拣偍常通过镀靳]捶樂寡躉托偽洌秸朧倜隙淌欽飫嗉鈾俁燃棋義獻畬蟮娜鋇悖保梗梗的輳剩校躺杓屏隋逡恢炙航峁溝乃淼賴緦魘劍停牛停蛹鈾俁燃疲保罰�，妇捔x掀骷ü傻緶芳庸ぜ際趵醇庸�，可以实乡婋汉V詿械緶芳苫納杓疲徊剿跣″義狹蘇逍酒某嘰紓繽跡保鄧盡ｅ義希靛義

本文編號：2591072