叉指电容式集成加速度计的研究-机械电子工程专业论文.docx

摘要 摘要 -I- -I- 摘 要 本文的研究工作是围绕着体硅 电容式微加速度计结构芯片及其接口 ASIC 芯片研制、自检测技术、敏感结构与接口电路混合集成技术研究等方 面展开的。论文所取得的成果不但可以促进加速度计向微型化与集成化方向 发展，而且在国防、航天、航空，以及民用领域具有广泛的应用前景。 首先，针对目前叉指电容式集成加速度计研制中缺乏系统设计方法、动态 阻尼理论与模型等问题，以加速度计二阶运动方程及流体动力学方程为基础， 综合分析了集成加速度系统的工作原理以及传感器自检测、动态特性等，建立 相应的理论模型。集成加速度计系统设计中包含机械结构与电子电路，分属不 同的领域，难以在同一专业设计平台下进行仿真与优化。本论文采用等效能量 法，建立了叉指电容式加速度计系统级电学仿真模型，构建了集成加速度计系 统，在专业仿真软件 SPICE 上进行了系统级仿真，实现了加速度计机械结构与 具体接口电路的匹配优化。论文基于流体动力学理论，建立了非均匀配置梳齿 结构的加速度计的动态阻尼理论模型，采用该理论模型对集成加速度计的动态 特性进行了理论分析与实验研究，实验结果与理论模型仿真结果相一致。在此 基础上完成了非均匀配置叉指加速度计梳齿结构参数的设计，实现了加速度计 的阻尼最佳匹配。在加速度计自检测技术与微机械结构机电耦合机理方面进行 了研究，通过对梳齿电极静电驱动的特性分析与实验研究，建立了新的机电耦 合模型，利用叉指梳齿微结构进行了 MEMS 微结构的机电耦合效应实验研究与 机电耦合模型的验证。利用该模型设计了新的自检测结构，其自检测输出可达 5%FS。 其次，基于以上理论模型，设计并制作出了具有自检测功能的集成加速度 计。基于 DRIE 体硅工艺设计了一种非均匀配置叉指结构的差分电容式加速度 计，对其进行了仿真与优化设计。采用电荷泵技术和分时控制技术设计了 CMOS 自检测电路，电荷泵可提供 10V 以上的驱动电压，分时控制电路可隔离高压驱 动对电容检测电路的耦合，避免高压自检测电压与检测电路的影响，实现了 CMOS 接口处理集成电路与体硅结构叉指电容式加速度计两芯片集成系统的自 检测功能。鉴于叉指电容式加速度计静态电容小，静电驱动能力差，难以闭环 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 -II- -II- 工作等不足，提出了一种新的适合闭环工作的框架质量块结构加速度计，实现 了叉指电容式加速度计的闭环驱动与检测，该传感器具有闭环增益高，噪声低 等优点。 最后利用国防科工委第一计量测试研究所和中电 49 所的加速度计测量/标 定系统，对所研制的集成加速度计进行了测试。测试项目包括： 灵敏度、幅频 响应、线性度、最大横向灵敏度比等。测试结果为，集成加速度计量程：±50g， 灵敏度：15mV/g，翻滚试验的一阶线性模型的非线性：2.4×10-4，抗过载：4000g。 同时对集成加速度计的温度特性、机电耦合特性等进行了试验研究。论文工作 对MEMS加速度计动态阻尼及机电耦合特性的研究具有重要的理论意义，对推 进高性能集成加速度计实用化具有重要的实用价值。 关键词 电容式加速度计；集成加速度计；自检测；接口集成电路 Abstract Abstract - - PAGE IV- Abstract The thesis focuses on developing a hybrid-integrated capacitive micro-accelerometer with self-test function. The emphasis is on the structural chip based on bulk silicon micromachining technology, CMOS interface circuit, self-test function and hybrid-integration. This research can promote the micromation and integration of micro-accelerometer, in which the presented micro-accelerometer can be widely applied in national defense, spaceflight, navigation and civil application. Firstly, due to lack of system simulation method, dynamic damping theory and model in the reseach of integrated forked fingerlike capacitive a