【摘要】：MEMS加速度計(jì)具有體積小,重量輕,功耗低,成本低和性能可靠等優(yōu)勢(shì),作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心元件,MEMS加速度計(jì)已被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、醫(yī)療設(shè)備、航空航天和國(guó)防軍工等領(lǐng)域,近年來(lái)已占據(jù)中低端領(lǐng)域并正在逐步進(jìn)入戰(zhàn)略級(jí)精度的高端領(lǐng)域。隨著我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,尤其是近年來(lái)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(lái)我國(guó)對(duì)高性能MEMS加速度計(jì)的需求巨大。因此,研發(fā)高性能MEMS加速度計(jì)具有重大的戰(zhàn)略意義。MEMS諧振式加速度計(jì)是一種基于MEMS技術(shù)加工,以諧振式感應(yīng)原理檢測(cè)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(hào)輸出MEMS加速度計(jì),諧振式加速度計(jì)具有準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出,數(shù)字電路兼容性高,抗干擾能力強(qiáng),穩(wěn)定性好和精度提高潛力大等優(yōu)勢(shì)。除此之外,諧振式加速度計(jì)不易出現(xiàn)吸合現(xiàn)象,動(dòng)態(tài)范圍大,抗沖擊能力強(qiáng)。但是,目前國(guó)外實(shí)用化的諧振式加速度計(jì)產(chǎn)品對(duì)我國(guó)禁運(yùn),而我國(guó)的諧振式加速度計(jì)研制尚處在實(shí)驗(yàn)室階段。綜合分析國(guó)內(nèi)外諧振式加速度計(jì)的相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)前諧振式加速度計(jì)仍然存在諸多問(wèn)題,如:微杠桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)靈敏度提升存在進(jìn)一步優(yōu)化的可能性;單純依靠?jī)?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(wú)法實(shí)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(jì)相對(duì)靈敏度普遍偏低(不超過(guò)1%/g)。針對(duì)以上問(wèn)題,本文分別對(duì)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(jì)的加工和測(cè)試平臺(tái)的搭建,并獲得了初步可靠的實(shí)驗(yàn)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(jì)的設(shè)計(jì))、集成雙級(jí)杠桿機(jī)構(gòu)的雙軸諧振式加速度計(jì)及其雙工模式傾角測(cè)量應(yīng)用(實(shí)現(xiàn)高集成度和高靈敏度的雙軸加速度測(cè)量和雙工模式傾角測(cè)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(yú)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(jì)的敏感元件實(shí)現(xiàn)靈敏度的提升和量程的自適應(yīng));基于擾動(dòng)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(guò)靜電耦合擾動(dòng)力的方式使加速度作用于諧振器實(shí)現(xiàn)高靈敏度加速度檢測(cè)以及電壓控制量程自適應(yīng)。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括:1.介紹了MEMS加速度計(jì)的分類(lèi)和各類(lèi)加速度計(jì)的工作原理以及優(yōu)缺點(diǎn)�；仡櫤涂偨Y(jié)了諧振式加速度計(jì)的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀,針對(duì)現(xiàn)有諧振式加速度計(jì)存在的問(wèn)題和實(shí)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?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)。2.針對(duì)現(xiàn)有微杠桿機(jī)構(gòu)力學(xué)模型誤差較大的問(wèn)題,提出了一種修正理論模型,并通過(guò)有限元仿真驗(yàn)證了其有效性和準(zhǔn)確性。建立了常用單級(jí)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(jí)杠桿機(jī)構(gòu)的修正模型以及放大倍數(shù)的計(jì)算過(guò)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(jì)的設(shè)計(jì),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(jí)杠桿機(jī)構(gòu)的雙軸諧振式加速度計(jì)。對(duì)核心敏感元件——靜電式DETF諧振器的工作原理、各項(xiàng)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(guò)解耦梁結(jié)構(gòu)的軸向和橫向剛度差異,使該器件實(shí)現(xiàn)了單質(zhì)量塊雙軸加速度檢測(cè)功能。基于雙級(jí)杠桿機(jī)構(gòu)修正模型計(jì)算了加速度計(jì)的靈敏度,并通過(guò)系統(tǒng)級(jí)有限元仿真進(jìn)行了驗(yàn)證和參數(shù)優(yōu)化�；谡婵臻_(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)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(jì)校準(zhǔn);基于閉環(huán)自激振蕩電路,實(shí)現(xiàn)了諧振器串聯(lián)諧振頻率的實(shí)時(shí)追蹤和加速度計(jì)分辨率的測(cè)量。雙級(jí)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(jì)具有高靈敏度的優(yōu)點(diǎn),而解耦梁的使用使加速度計(jì)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(cè)的應(yīng)用潛力。4.基于高靈敏度雙軸諧振式加速度計(jì),首次在單一器件上實(shí)現(xiàn)了雙工模式高靈敏度傾角測(cè)量應(yīng)用,即小角度范圍雙軸傾角測(cè)量和大角度范圍單軸傾角測(cè)量,從而更能夠滿(mǎn)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(cè)量時(shí),由于解耦梁隔離了正交感應(yīng)軸的串?dāng)_,實(shí)現(xiàn)了單質(zhì)量塊雙軸傾角測(cè)量,但受限于重力分量與傾角之間的非線(xiàn)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(cè)量時(shí),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(cè)量,即可實(shí)現(xiàn)單軸±90°范圍的傾角測(cè)量,大大拓展了諧振式傾角計(jì)的測(cè)量范圍。5.針對(duì)目前諧振式加速度計(jì)單純依靠?jī)?yōu)化杠桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)靈敏度提升的效果仍然有限以及量程不可調(diào)的問(wèn)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(yú)骨形結(jié)構(gòu)和多分段電極兩種設(shè)計(jì),分別提出了魚(yú)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(shí)現(xiàn)了諧振器一至三階模態(tài)的激振、檢測(cè)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(jì)中,通過(guò)高階模態(tài)實(shí)現(xiàn)靈敏度的提升,通過(guò)模態(tài)可調(diào)實(shí)現(xiàn)量程的自適應(yīng)。6.針對(duì)傳統(tǒng)軸向力敏感諧振式加速度計(jì)相對(duì)靈敏度偏低的問(wèn)題,首次提出基于擾動(dòng)力敏感機(jī)理的高靈敏度諧振式加速度計(jì)。不同于傳統(tǒng)諧振式加速度計(jì),在該器件中,質(zhì)量塊通過(guò)靜電耦合將擾動(dòng)力施加在諧振器上,進(jìn)而改變諧振器的固有頻率,從而測(cè)量加速度,而通過(guò)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(shí)現(xiàn)量程的自適應(yīng)。此外,在設(shè)計(jì)過(guò)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(mǎn)足消費(fèi)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(lái)的高成本。最后,對(duì)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(wèn)題,提出了未來(lái)工作的主要方向,并對(duì)諧振式加速度計(jì)的長(zhǎng)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(cè)法和（ｂ）直接檢測(cè)法的加速度計(jì)原理示意圖逡逑１．２．２ＭＥＭＳ加速度計(jì)的主要分類(lèi)逡逑１）壓阻式加速度計(jì)逡逑壓敏電阻＼邋基逡逑ｍｍｗ逡逑圖１－２壓阻式加速度計(jì)簡(jiǎn)化模型逡逑壓阻式加速度計(jì)是第一種問(wèn)世的ＭＥＭＳ加速度計(jì)１２８］，也是第一種商業(yè)化的ＭＥＭＳ逡逑加速度計(jì)ｌｌ６ｉ。圖１－２所示為壓阻式加速度計(jì)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(shí)，懸臂梁上集成了壓敏電阻。當(dāng)有加逡逑速度存在時(shí)，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(jì)簡(jiǎn)化模型逡逑壓阻式加速度計(jì)是第一種問(wèn)世的ＭＥＭＳ加速度計(jì)１２８］，也是第一種商業(yè)化的ＭＥＭＳ逡逑加速度計(jì)ｌｌ６ｉ。圖１－２所示為壓阻式加速度計(jì)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(shí)，懸臂梁上集成了壓敏電阻。當(dāng)有加逡逑速度存在時(shí)，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(guò)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TP212;TH824.4

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;矽立科技交付第5億顆加速度計(jì)[J];單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用;2019年01期

2 劉越;周志衛(wèi);劉芳;;低頻加速度計(jì)在特定溫度下的靈敏度修正方法研究[J];中國(guó)測(cè)試;2018年S1期

3 段然;;懸絲式慣性加速度計(jì)穩(wěn)定性分析[J];電子質(zhì)量;2017年12期

4 ;ADXL356/ADXL357三軸MEMS加速度計(jì) 美國(guó)ADI公司[J];傳感器世界;2017年12期

5 范衛(wèi)民;劉雙杰;王麗爽;劉洪濤;趙忠海;史英智;;MEMS加速度計(jì)在防空導(dǎo)彈引信中的應(yīng)用[J];兵器裝備工程學(xué)報(bào);2018年03期

6 江海清;郭冬梅;夏巍;倪小琦;郝輝;王鳴;;半導(dǎo)體激光自混合干涉加速度計(jì)測(cè)試技術(shù)研究[J];激光雜志;2018年04期

7 杜少林;陳鵬光;陳書(shū)釗;曾春華;陳劍鳴;;高成本和低成本MEMS加速度計(jì)性能比較研究[J];傳感器與微系統(tǒng);2018年04期

8 雷榮福;;小型化加速度計(jì)的研制[J];儀器儀表用戶(hù);2018年08期

9 劉宇;余躍;路永樂(lè);邸克;郭俊啟;;MEMS加速度計(jì)混合誤差標(biāo)定補(bǔ)償方案[J];壓電與聲光;2018年04期

10 楊蕾;胡銀泉;;智能手機(jī)中加速度計(jì)的原理及教學(xué)應(yīng)用[J];物理通報(bào);2017年01期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 魏淵;李鵬飛;;數(shù)字化加速度計(jì)伺服控制系統(tǒng)研究[A];探索 創(chuàng)新 交流（第7集）——第七屆中國(guó)航空學(xué)會(huì)青年科技論壇文集（下冊(cè)）[C];2016年

2 張亮;陸秋海;;靜電懸浮式電容差分加速度計(jì)測(cè)量原理與動(dòng)特性設(shè)計(jì)[A];第九屆全國(guó)振動(dòng)理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2007年

3 張亮;陸秋海;;靜電懸浮式電容差分加速度計(jì)測(cè)量原理與動(dòng)特性設(shè)計(jì)[A];第九屆全國(guó)振動(dòng)理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2007年

4 陳志勇;周斌;張嶸;;一種微機(jī)械硅諧振梁加速度計(jì)[A];2009中國(guó)儀器儀表與測(cè)控技術(shù)大會(huì)論文集[C];2009年

5 曹宇;董景新;胡m

本文編號(hào)：2688519