【摘要】：MEMS加速度計具有體積小,重量輕,功耗低,成本低和性能可靠等優(yōu)勢,作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心元件,MEMS加速度計已被廣泛應(yīng)用于消費電子、醫(yī)療設(shè)備、航空航天和國防軍工等領(lǐng)域,近年來已占據(jù)中低端領(lǐng)域并正在逐步進(jìn)入戰(zhàn)略級精度的高端領(lǐng)域。隨著我國社會和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,尤其是近年來在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等新興產(chǎn)業(yè)的不斷投入,未來我國對高性能MEMS加速度計的需求巨大。因此,研發(fā)高性能MEMS加速度計具有重大的戰(zhàn)略意義。MEMS諧振式加速度計是一種基于MEMS技術(shù)加工,以諧振式感應(yīng)原理檢測加速度的慣性傳感器,一般由質(zhì)量塊、微杠桿機(jī)構(gòu)和諧振器組成,加速度引起的質(zhì)量塊慣性力經(jīng)由杠桿放大施加在諧振器上,從而引起諧振器固有頻率的偏移,后經(jīng)外圍電路得到加速度值。相比于壓阻式、壓電式、電容式和隧道電流式等模擬信號輸出MEMS加速度計,諧振式加速度計具有準(zhǔn)數(shù)字信號輸出,數(shù)字電路兼容性高,抗干擾能力強,穩(wěn)定性好和精度提高潛力大等優(yōu)勢。除此之外,諧振式加速度計不易出現(xiàn)吸合現(xiàn)象,動態(tài)范圍大,抗沖擊能力強。但是,目前國外實用化的諧振式加速度計產(chǎn)品對我國禁運,而我國的諧振式加速度計研制尚處在實驗室階段。綜合分析國內(nèi)外諧振式加速度計的相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)前諧振式加速度計仍然存在諸多問題,如:微杠桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)靈敏度提升存在進(jìn)一步優(yōu)化的可能性;單純依靠優(yōu)化杠桿機(jī)構(gòu)的靈敏度提升有限;結(jié)構(gòu)參數(shù)一旦固定則無法實現(xiàn)量程的自適應(yīng);基于軸向力敏感機(jī)理的傳統(tǒng)諧振式加速度計相對靈敏度普遍偏低(不超過1%/g)。針對以上問題,本文分別對放大機(jī)構(gòu)、敏感元件和敏感機(jī)理等關(guān)鍵部分進(jìn)行了研究,完成了可行性的論證、加速度計的加工和測試平臺的搭建,并獲得了初步可靠的實驗結(jié)果。相關(guān)研究主要為:基于微杠桿機(jī)構(gòu)的靈敏度提升機(jī)制研究,包括微杠桿機(jī)構(gòu)修正模型(指導(dǎo)諧振式加速度計的設(shè)計)、集成雙級杠桿機(jī)構(gòu)的雙軸諧振式加速度計及其雙工模式傾角測量應(yīng)用(實現(xiàn)高集成度和高靈敏度的雙軸加速度測量和雙工模式傾角測量);基于高階模態(tài)諧振器的靈敏度提升與量程自適應(yīng)機(jī)制研究,包括魚骨形結(jié)構(gòu)諧振器和多分段電極式諧振器(作為諧振式加速度計的敏感元件實現(xiàn)靈敏度的提升和量程的自適應(yīng));基于擾動力敏感機(jī)理的靈敏度提升與量程自適應(yīng)機(jī)制研究,主要通過靜電耦合擾動力的方式使加速度作用于諧振器實現(xiàn)高靈敏度加速度檢測以及電壓控制量程自適應(yīng)。本文的主要研究內(nèi)容包括:1.介紹了MEMS加速度計的分類和各類加速度計的工作原理以及優(yōu)缺點。回顧和總結(jié)了諧振式加速度計的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀,針對現(xiàn)有諧振式加速度計存在的問題和實際應(yīng)用需求,提出了本文的研究目標(biāo)、技術(shù)手段、主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點。2.針對現(xiàn)有微杠桿機(jī)構(gòu)力學(xué)模型誤差較大的問題,提出了一種修正理論模型,并通過有限元仿真驗證了其有效性和準(zhǔn)確性。建立了常用單級微杠桿機(jī)構(gòu)的修正模型,并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了雙級杠桿機(jī)構(gòu)的修正模型以及放大倍數(shù)的計算過程。相比于現(xiàn)有模型,修正模型具有更高的精度,能夠更好地指導(dǎo)諧振式加速度計的設(shè)計,為后續(xù)章節(jié)的研究提供理論基礎(chǔ)。3.首次提出了一種集成雙級杠桿機(jī)構(gòu)的雙軸諧振式加速度計。對核心敏感元件——靜電式DETF諧振器的工作原理、各項性能參數(shù)和等效電路學(xué)模型進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。通過解耦梁結(jié)構(gòu)的軸向和橫向剛度差異,使該器件實現(xiàn)了單質(zhì)量塊雙軸加速度檢測功能。基于雙級杠桿機(jī)構(gòu)修正模型計算了加速度計的靈敏度,并通過系統(tǒng)級有限元仿真進(jìn)行了驗證和參數(shù)優(yōu)化。基于真空開環(huán)頻率響應(yīng)試驗臺測試了諧振器的電機(jī)械特性和溫度特性并進(jìn)行了加速度計校準(zhǔn);基于閉環(huán)自激振蕩電路,實現(xiàn)了諧振器串聯(lián)諧振頻率的實時追蹤和加速度計分辨率的測量。雙級杠桿機(jī)構(gòu)最大程度地優(yōu)化了微杠桿機(jī)構(gòu)的性能,使加速度計具有高靈敏度的優(yōu)點,而解耦梁的使用使加速度計結(jié)構(gòu)緊湊,集成度高,交叉靈敏度低,具備了高靈敏度雙軸加速度檢測的應(yīng)用潛力。4.基于高靈敏度雙軸諧振式加速度計,首次在單一器件上實現(xiàn)了雙工模式高靈敏度傾角測量應(yīng)用,即小角度范圍雙軸傾角測量和大角度范圍單軸傾角測量,從而更能夠滿足不同的應(yīng)用需求。將器件應(yīng)用于小角度范圍雙軸傾角測量時,由于解耦梁隔離了正交感應(yīng)軸的串?dāng)_,實現(xiàn)了單質(zhì)量塊雙軸傾角測量,但受限于重力分量與傾角之間的非線性,角度范圍較小(±40°);將器件應(yīng)用于大角度范圍單軸傾角測量時,利用各諧振器頻率偏移的相位差,合理選擇諧振器作為敏感元件進(jìn)行分段測量,即可實現(xiàn)單軸±90°范圍的傾角測量,大大拓展了諧振式傾角計的測量范圍。5.針對目前諧振式加速度計單純依靠優(yōu)化杠桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)靈敏度提升的效果仍然有限以及量程不可調(diào)的問題,根據(jù)諧振器在高階模態(tài)下力敏感性上升這一理論基礎(chǔ),基于魚骨形結(jié)構(gòu)和多分段電極兩種設(shè)計,分別提出了魚骨形結(jié)構(gòu)高階模態(tài)諧振器和多分段電極式高階模諧振器,實現(xiàn)了諧振器一至三階模態(tài)的激振、檢測和自由切換,首次將模態(tài)可調(diào)高階模態(tài)諧振器應(yīng)用于諧振式加速度計中,通過高階模態(tài)實現(xiàn)靈敏度的提升,通過模態(tài)可調(diào)實現(xiàn)量程的自適應(yīng)。6.針對傳統(tǒng)軸向力敏感諧振式加速度計相對靈敏度偏低的問題,首次提出基于擾動力敏感機(jī)理的高靈敏度諧振式加速度計。不同于傳統(tǒng)諧振式加速度計,在該器件中,質(zhì)量塊通過靜電耦合將擾動力施加在諧振器上,進(jìn)而改變諧振器的固有頻率,從而測量加速度,而通過調(diào)節(jié)靜電耦合的電壓大小即可調(diào)節(jié)靈敏度從而實現(xiàn)量程的自適應(yīng)。此外,在設(shè)計過程中優(yōu)化了質(zhì)量塊的感應(yīng)軸方向固有頻率,使器件能夠滿足消費應(yīng)用軟件的帶寬需求,優(yōu)化了諧振器的尺寸,使其剛度降低便于在大氣壓下工作,降低了由真空封裝帶來的高成本。最后,對本文所做的主要研究工作和取得的研究成果進(jìn)行總結(jié),根據(jù)本文的研究進(jìn)展和仍然存在的問題,提出了未來工作的主要方向,并對諧振式加速度計的長遠(yuǎn)發(fā)展進(jìn)行了規(guī)劃和展望。
【圖文】：

（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１－１基于（ａ）位移檢測法和（ｂ）直接檢測法的加速度計原理示意圖逡逑１．２．２ＭＥＭＳ加速度計的主要分類逡逑１）壓阻式加速度計逡逑壓敏電阻＼邋基逡逑ｍｍｗ逡逑圖１－２壓阻式加速度計簡化模型逡逑壓阻式加速度計是第一種問世的ＭＥＭＳ加速度計１２８］，也是第一種商業(yè)化的ＭＥＭＳ逡逑加速度計ｌｌ６ｉ。圖１－２所示為壓阻式加速度計的筒化模型，主要由質(zhì)量塊、懸臂梁、基座和逡逑壓敏電阻構(gòu)成，質(zhì)量塊由懸臂梁連接在基座上，同時，懸臂梁上集成了壓敏電阻。當(dāng)有加逡逑速度存在時，質(zhì)量塊在慣性力的作用下引起懸臂梁的彎曲，從而給壓敏電阻施加拉應(yīng)力或逡逑壓應(yīng)力，基于壓阻效應(yīng)，壓敏電阻在應(yīng)力的作用下，出現(xiàn)電阻值的改變。

壓敏電阻＼邋基逡逑ｍｍｗ逡逑圖１－２壓阻式加速度計簡化模型逡逑壓阻式加速度計是第一種問世的ＭＥＭＳ加速度計１２８］，也是第一種商業(yè)化的ＭＥＭＳ逡逑加速度計ｌｌ６ｉ。圖１－２所示為壓阻式加速度計的筒化模型，主要由質(zhì)量塊、懸臂梁、基座和逡逑壓敏電阻構(gòu)成，，質(zhì)量塊由懸臂梁連接在基座上，同時，懸臂梁上集成了壓敏電阻。當(dāng)有加逡逑速度存在時，質(zhì)量塊在慣性力的作用下引起懸臂梁的彎曲，從而給壓敏電阻施加拉應(yīng)力或逡逑壓應(yīng)力，基于壓阻效應(yīng)，壓敏電阻在應(yīng)力的作用下，出現(xiàn)電阻值的改變。通過惠斯通電橋逡逑２逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212;TH824.4

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本文編號：2688519