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高精度MEMS电容式加速度传感器自标定技术研究
| 论文题名： | 高精度MEMS电容式加速度传感器自标定技术研究 |
| 关键词： | 电力电子;电容式加速度传感器;自标定;静电驱动;桥梁振动监测 |
| 摘要： | 电容式加速度传感器由于具有温度系数小、灵敏度高、稳定性好等众多优点，是目前研制得较多的一类加速度传感器，可用于汽车电子、石油勘探、桥梁振动状态监测等领域。而对电容式加速度传感器进行标定也显得至关重要。传统加速度传感器常用机械振动台标定法，但存在着设备昂贵复杂且不方便现场标定的问题。据此，本文对使用电磁力和静电力模拟机械振动台惯性力以实现现场自标定加速度传感器进行研究。 本文首先介绍MEMS电容式加速度传感器中涉及的变间距式和变面积式原理，并阐述几种常用的微驱动方式和各自的利弊。然后通过分析加速度传感器的数学模型，得到传输函数和响应特性；接着基于卡氏第二定理重点推导传感器U型支撑梁弹性系数与梁尺寸参数关系并进行仿真验证，计算得出弹性梁结构竖直部位轴向形变影响只有13.1ppm。 其次，设计了一种集成电磁驱动现场标定功能的MEMS加速度传感器。采用电磁驱动原理，用通电导线上产生的安培力模拟传统机械振动台惯性力。给出加速度传感器结构以及用于制造传感器的体硅微加工工艺方法，用有限元仿真软件ANSYS分析了传感器的运动模态和灵敏度，实现标定特性的验证。结果表明，设计的加速度传感器谐振频率为1528.84Hz，静态位移灵敏度为0.109μm/g，电磁感应电流对标定电流影响仅为1.5ppt。且当DRIE工艺误差造成传感器结构产生1°的倾斜时，标定电流的变化小于0.16％。 再者，本文还将静电驱动与标定技术相结合，用变化的静电力模拟动态加速度信号，给出固定梳齿处的驱动电压公式。同时表明边缘效应的存在性并对标定电压进行修正补偿。研究显示，增大极板间距的确会加剧边缘效应影响，但添加修正因子进行补偿后，幅值处的误差从补偿前的9.34%降低至补偿后的0.27%，修正效果明显，其误差情况适用于标定高精度MEMS电容式加速度传感器。 最后，设计了一种新型的带自标定振动结构的电容式加速度传感器，把校准用振动结构和电容式加速度传感器实现单片设计。新结构采用静电驱动原理，在完成敏感方向标定传感器的同时实现交叉轴特性的实时测试，克服了传感器在出厂后，其性能变化后不能方便快速获知的弊端。 |
| 作者： | 吴迪东 |
| 专业： | 电子科学与技术 |
| 导师： | 董林玺 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 杭州电子科技大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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