硅基差分电容式加速度传感器的研究与设计

论文摘要

传感器是MEMS技术的一个重要分支,其中的加速度传感器在航空、航天和汽车等很多领域有着广泛的应用,主要有压阻式、电容式和压电式三种。由于电容式加速度传感器具有灵敏度高、噪声性能良好、功耗低和结构简单的优点,成为研究的热点。针对梳齿式电容加速度传感器,本文在敏感元件的结构设计和系统建模与仿真等方面进行了深入的研究。首先,对敏感元件的位移响应进行了MATLAB模拟。通过敏感元件的位移响应得出:待测加速度的频率应远离敏感元件的固有频率以获得较高的灵敏度;阻尼因子的大小影响位移输出。其次,建立电容式加速度传感器开环系统和闭环系统的SIMULINK模型,研究不同读出方式下的传感器系统特性。闭环系统的稳定性分析对阻尼因子和低频环路增益的大小提出了要求。系统仿真表明,电压输出信号与外界加速度成正比,闭环系统的等效加速度信号远远小于开环系统。然后,研究选择差分电容的理论依据。通过详细的理论推导得到,差分电容的线性度和灵敏度均优于单电容。选定典型的差分电容结构——梳齿式结构为敏感元件的结构,并结合国内的工艺水平确定结构尺寸。最后,利用ANSYS有限元软件对梳齿式电容加速度传感器进行了静力分析、模态分析和谐响应分析,研究敏感元件的结构尺寸对线性度、抗冲击性、响应频率和机械灵敏度等性能的影响规律,为结构的优化设计提供理论参考。依据本文给出的梳齿式结构和设计参数,设计出的加速度传感器能够抵抗5000g的加速度冲击,最大量程大于±70g,频率响应范围为0～2000Hz,理论上满足了大量程惯导加速度传感器的基本要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 选题依据和研究意义
• 1.2 国内外研究态势
• 1.3 本文的主要研究工作
• 第二章 电容式加速度传感器基础
• 2.1 工作原理
• 2.2 电路模型
• 2.3 空气阻尼模型
• 2.3.1 库埃特流阻尼模型
• 2.3.2 压膜阻尼模型
• 2.4 静电力作用
• 2.5 敏感元件的等效电学模拟
• 2.6 本章小结
• 第三章 电容式加速度传感器的MATLAB模拟
• 3.1 敏感元件的频率特性
• 3.2 敏感元件的位移输出模拟
• 3.2.1 正弦信号的振动位移响应
• 3.2.2 阶跃信号的振动位移响应
• 3.3 电容式加速度传感器的闭环系统仿真
• 3.3.1 闭环系统模型
• 3.3.2 系统稳定性分析
• 3.3.3 系统仿真
• 3.4 电容式加速度传感器的开环系统仿真
• 3.4.1 开环系统模型
• 3.4.2 系统仿真
• 3.5 本章小结
• 第四章 敏感元件的仿真与设计
• 4.1 敏感元件结构的选取
• 4.1.1 设计原则
• 4.1.2 敏感元件选择差分电容的理论依据
• 4.1.3 梳齿式结构
• 4.2 有限元分析的技术基础
• 4.3 敏感元件的参数与模型
• 4.4 静力分析
• 4.4.1 重力加速度的影响
• 4.4.2 敏感元件的抗冲击能力
• 4.4.3 敏感元件的线性度
• 4.4.4 梁的参数对传感器性能的影响
• 4.5 动力分析
• 4.5.1 模态分析
• 4.5.2 谐响应分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果