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南京理工大学硕士研究生 学位论文开题报告 姓 名： 赵 辉 学 号： 111101265 学 科： 检测技术与自动化装置 所在院系： 自动化学院 指导教师： 张 捷 2012年 9 月 15日填 一、 拟选定学位论文的题目名称 三轴谐振式加速度计的测控电路的设计 二、 选题的科学意义和应用前景 得益于集成电路工艺、微电子技术和微机械加工工艺的迅速发展，微机电系统应运而生，并且在仪器仪表科学、控制理论、机械制造等诸多领域中应用广泛。微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS）与惯性技术相结合，使得微惯性仪表以及相关技术的研究成为可能。 微机械加速度计是微惯性仪表的经典代表，它主要用来测量物体的加速度信息，它与硅微型陀螺仪结合构成惯性测量组合（MIMU）单元，在军备制造、智能武器和弹道制导等方面有着重要的战略意义。随着技术的不断创新，微机械加速度计也越来越多的应用于民事领域，如打印机、汽车导向、安全气囊设计等。微机械加速度计具有众多形式，基于不同的原理，其分类方法也各不相同。其中，谐振式硅微机械加速度计以其独特的优点成为加速度计发展的新趋势。不同于敏感信号为一般电信号的微加速度计，谐振式加速度计通过检测与输入加速度成线性关系的频率信号来达到测量目的，频率信号近似数字信号，具有很好的灵敏度和分辨率，抗干扰性极强，在信号传输过程中有高的稳定性，大大降低了信号检测难度和传递误差。另外硅微谐振式加速度计体积小、质量轻、成本低、功耗小、可靠性高，能够批量生产。硅微机械加速度计的设计与研究具有重要的现实意义。 硅微机械加速度计首先要使振子工作在谐振状态，然后通过谐振频率的变化来敏感外界输入的加速度信息。这就需要借助某种力量来驱动传感器使其工作于谐振状态，为了保证稳定性和抗干扰性，拟采用闭环自激驱动为宜。谐振频率信息隐含在微弱电信号中，需要精确的检测电路来提取出包含了谐振频率信号，并且经过后续各种处理，最终于相应的加速度进行标定，实现加速度的测量。硅微加速度计应用领域要求测量精度高、可靠性好，对其性能有比较苛刻的要求，需要确保稳定。而优良的驱动电路和频率检测电路可以对加速度计的性能做出精确评估，并且对进一步提高谐振式加速度计的性能指标有重要指导意义。 随着科技的不断进步和市场的进一步需求，为了对物体的运动信息更加全面的把握，需要同时测量三个方向的加速度信息，三轴加速度计的产生成为必然趋势。三轴加速度计具有集成度高、价格低、成本小、低质量等显著优点，更重要的是三轴加速度计能够减少在测量多个方向加速度时使用单轴加速度计组合带来的安装误差，大大提高了测量精度。 三、 背景科研项目情况简介 加速度传感器作为微惯性技术应用的典型代表，是近数十年新兴的微机电产品。微机械加速度计的研究始于上世纪七十年代末，最早代表有美国Stanford University、UC Berkley、Draper Laboratory等机构于1977年采用MEMS工艺制作的微机械加速度计。随后，德国、日本、韩国、新加坡等开始了微机械加速度计的积极研究工作，不断采用新的加工方法、工作原理和结构来提高传感器的性能指标和降低开发成本。国内的许多著名高校如东南大学、中北大学、清华大学、南京理工大学等也于近年开始对微机械加速度传感器进行研究。随着科技的进步和研究的深入，微机械加速度计取得了卓越的发展，而谐振式微加速度计凭借其独特的优点，逐渐受到科研人员的青睐，其在军民方面的应用也愈加成熟。伴随着应用的需求，在需要同时检测三个方向加速度计信息的现场与设备中，三轴加速度计成为发展趋势，它可以有效解决使用三个单轴加速度计组合测量带来的一系列问题。 谐振式加速度利用了惯性原理以及振子刚度变化原理。本实验所设计的谐振式加速度计采用了双端固定音叉的差动结构。当外界加速度作用于加速度计时，根据牛顿惯性定理将产生与加速度值成正比（比例关系实际是敏感质量块质量）的惯性力，通过某种方式（一般采用微杠杆结构）将这一惯性力放大并且使其作用于谐振子，引起振子刚度变化，从而引起谐振频率发生变化，加速度信号就隐藏在这一频率变化中。通过详细计算推导可见两者之间成良好的线性关系。最后通过一定的手段将振子的谐振状态转化为与振动状态同周期变化的电信号，通过对电信号的频率检测实现谐振频率的检测，并最终标定位相应的加速度值。本论文研究的主要任务有：探讨、设计谐振式加速度计的闭环驱动电路，使加速度传感器工作在稳定的谐振状态，作为加速度精确测量的保证