一种高灵敏度低噪声硅微谐振式加速度计

MEMS加速度计经过近四十年的发展,是目前产业化最为成功、应用最为广泛的MEMS器件之一。以硅微机械谐振器作为敏感元件的谐振式MEMS加速度计因具有检测精度高、线性度好、量程大、抗环境噪声能力强等优点,成为新一代高性能MEMS加速度计的重要发展方向。针对微小型无人平台的长时惯性导航、姿态测量等需求,设计了一种具有增敏结构的硅微谐振式加速度计,通过改进微杠杆转轴与惯性质量块支撑梁的几何形状并利用有限元仿真方法进行参数优化,在不增加芯片面积的前提下有效提升了器件灵敏度。器件设计量程±50 g,采用集成圆片级真空封装的SOI-MEMS工艺制造并配套设计了基于0.35 mm工艺的接口ASIC电路用于实现加速度计的闭环工作。所研制的原理样机测试表明,加速度计敏感谐振器品质因数为29300,灵敏度630.81 Hz/g,噪声≤1.7μg/■,零偏不稳定性(Allan方差)≤2.3μg。     

静电悬浮式惯性仪表中的微位移检测技术

静电陀螺仪、空间静电加速度计等基于静电悬浮的惯性仪表在高精度的惯性导航和空间微重力测量领域得到广泛应用。近年来，对基于MEMS工艺的悬浮式微惯性传感器的研究引起了广泛的重视。介绍了静电悬浮式惯性仪表中采用的差动电容式微位移检测电路的原理，分别对静电陀螺、静电加速度计和MEMS微陀螺、微加速度计的电极配置方案和位移检测的接口电路进行了分析，并对不同的位移检测方案进行了比较.     

基于MS3110电容读取芯片的MEMS加速度计

介绍了通用电容读取芯片MS3110的内部结构、基本原理及其使用方法,提出了采用单片机实现片内EEPROM编程的方法,并给出了读写控制框图。以梳齿式硅微传感器为敏感元件,采用滞后比例积分调节器,基于MS3110通用电容读取芯片设计了一种MEMS力平衡闭环加速度计。实验结果表明:设计的MEMS加速度计能够闭环正常工作并取得了一定的性能。     

硅微谐振加速度计交流检测信号解耦技术

硅微谐振加速度计以高精度的频率信号输出及潜在的敏感结构与处理电路实现一次集成的优势,成为硅微传感器研制的热点之一。针对交流检测信号耦合效应对硅微谐振加速度计性能的重要影响,在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从结构和电路两方面研究了交流检测信号耦合效应的来源,分析了耦合效应对检测电路和闭环控制精度的影响。采用双质量块结构方案和电路优化设计所研制的硅微谐振加速度计,基频为15 kHz,标度因数为36 Hz/g,量程为±30 g。试验证明耦合效应对仪表性能的影响降低到0.3 mg以内。     

Z轴硅微机械陀螺仪的机电接口模型分析

为提高z轴硅微机械陀螺仪信噪比，分析了陀螺仪机电接口中的电容和电阻。文中以z轴硅微机械陀螺仪的理论模型为对象，建立了陀螺仪机电接口模型，分析了模型中寄生电容和电阻对有用信号和噪声的影响。分析结果表明：寄生电容会削弱有用信号，且布线与活动结构间的电容对输出有很大的影响，而寄生电阻会产生噪声。最后，提出了采用新工艺和合理的布线方法以减小寄生电容和电阻，从而提高信噪比。     

单片集成MEMS陀螺数字闭环接口ASIC电路设计

为提高MEMS陀螺的线性度和稳定性,设计了适用于电容式MEMS陀螺的数字式双闭环接口电路。首先,概括了接口电路的系统结构,包括电容/电压转换电路、高精度模数转换器、数字信号处理等模块。然后,设计了基于自动增益控制的陀螺驱动闭环控制系统,并分析了驱动闭环稳定性条件,为驱动闭环系统的快速调试提供理论指导。最后,提出了一种基于四阶机电结合∑△调制器原理的陀螺敏感闭环检测系统。接口电路在0.18μm高压CMOS工艺平台上完成流片,并且与MEMS陀螺结构封装在一个管壳中进行测试验证。测试结果表明本接口电路的优越性能:在±500°/s量程下陀螺非线性度达到52.8 ppm,陀螺零偏不稳定性为0.58°/h(Allan方差),角度随机游走等于0.07°/h~(1/2),满足高性能MEMS陀螺对高线性度、高稳定性接口电路的应用需求。     

级联式高阶Σ△M数字式闭环微机械加速度计

基于Sigma-delta Modulator(Σ△M)原理的数字闭环微机械加速度计不仅实现了力反馈闭环控制,同时直接完成信号的模数转换。基于全差分式电容微加速度设计了一种2-2级联式(MASH)高阶Σ△M闭环系统——MASH_(2-2),并与传统的单环路二阶、四阶Σ△M闭环系统(SD2、SD4)进行了仿真分析比较,研制了原理样机。微加速度计是基于结构层厚度50mm的SOI硅片通过DRIE刻蚀、气态HF释放等一系列微加工工艺得到,系统电路以数字化方式集成在FPGA中。常压下测试结果表明,样机的灵敏度为0.876 V/g,噪声基底为-110 d B,零偏不稳定性为20mg,静态温漂为40.8mg/℃,量程为±20 g。     

硅微机械陀螺仪的机电接口模型分析

建立了某种硅微机械陀螺仪的电路模型,分析了寄生电容对接口电路的影响.结果表明,合理的接口电路不仅消除了大部分的寄生电容的影响,而且减小了信号的衰减幅度,抑制了大部分的耦合信号和噪声信号.最后对接口电路进行了改进,除了保留以上的一些优点外,还减小了载波信号的变化和电源变化对电容分辨率的影响,提高了整个电路的分辨率.     

静电悬浮加速度计反馈引起闭环点漂移机理及抑制方法

静电悬浮加速度计的检测质量闭环点位置偏离电极框中心时会造成系统非线性误差,调整检测电路输出电压可调整检测质量闭环点,而在调整过程中发现反馈电压变化会引起电容检测电路输出电压漂移,从而影响闭环点调节精度。为解决此问题,研究了闭环点位置与检测电路输出电压变化的关系,推导了检测电路传递函数,初步确定了反馈电压对检测电路输出电压影响的原因是隔直电容选取不恰当,通过实验对比了材料为C0G、Y5P、X7R及SL的多层陶瓷电容作为隔直电容时输出电压与反馈电压关系。实验结果表明:采用低温漂、耐高压和受频率影响小的C0G电容作为隔直电容能够消除反馈对检测电路引起的输出电压漂移,从而消除调节闭环点过程中闭环点位置的漂移,并且能提高检测电路稳定性。     

微机械加速度计及电容检测电路的设计

本文讨论一种扭摆式微机械加速度计.介绍其敏感元件的结构,振动模态和数学模型,说明了集成电容检测电路的原理,并对该电路进行了具体设计,利用PSPICE软件进行仿真分析,结果证明完全达到要求,并给出了同步解调器电路的形式,为进行版图设计打下了基础.     

高g值加速度计的设计与冲击特性分析

针对特殊场合的测试需求,设计了四端全固支的高过载梁岛结构加速度计;利用Hopkinson杆冲击校准装置对该加速度计的动态特性进行了测试。测试结果表明,传感器的灵敏度为1.2V/g,线性度5%左右;结构受到2105g冲击后完好且输出信号正常,能有效满足高冲击、强烈振动场合的特殊测试要求,可以应用于侵彻系统。 更多还原     

静电悬浮转子微陀螺微位移数字化电容检测通道设计

微位移检测是实现静电悬浮转子微陀螺闭环起支和稳定悬浮控制的重要前提。针对微陀螺轴向起支和悬浮的检测要求、特点及主要技术指标,设计了完整的电容式微位移检测通道。该通道主要由前置C/V转换、差动放大、四阶压控电压源有源带通滤波、相敏解调、四阶Butterworth低通滤波和16位A/D转换等环节组成,具有激励带宽大、检测精度高及数字化输出等特点。试验表明,检测通道的灵敏度为1.4V/pF,线性度为2.11%,微位移检测分辨力优于10nm,能够满足微陀螺轴向起支和稳定悬浮的检测要求。     

An investigation into the effects of electrostatic and squeeze-film non-linearities on the shock spectrum of microstructures

We present an investigation into the effects of some of the common microelectromechanical systems (MEMS) non-linearities on their shock response and shock spectrum. As a case study, a capacitive accelerometer is selected to investigate theoretically and experimentally the effect of non-linearities due to squeeze film damping (SQFD) and electrostatic actuation. For the theoretical investigation, a non-linear single-degree-of-freedom model is used to simulate the response of the device. It is shown that, in the case of light damping, the electrostatic forces soften the microstructure and raise its deflection significantly. Dynamic pull-in instability is predicted near the dynamic range zone of the shock spectrum. On the other hand, SQFD is found to highly suppress the deflection of the microstructure in the dynamic range, while it is of less effect in the quasi-static range. Experimentally, the capacitive accelerometer is powered with a DC load and then subjected to acceleration pulses generated by a shaker. Tests are conducted while the accelerometer is operated in air, where the squeeze film effect is significant, and while placed inside a vacuum chamber. Simulation results are compared to experimental data showing excellent agreement.     

高精度单晶硅挠性摆式加速度计组件的工程化实现

针对单晶硅挠性摆式加速度计的高精度工程化应用需求,设计了加速度计组件及温控系统。针对大多数温控系统工作时的瞬时电流较大问题,设计了一种带抽头的加热片,将温控分为粗温控和精温控两个阶段,不同阶段采用不同的加热电阻。测试结果表明,设定目标温度为60℃,当外界环境温度从5℃到55℃变化时,温控系统到温时间小于15 min,控温精度小于±0.1℃,精温控时的最大电流为粗温控时的33.4%。连续15天通电实验表明,该组件的加速度计刻度系数K1稳定性小于10×10~(-6),偏值K0稳定性小于10μg,满足各类高精度、工程化的应用需求。     

A resonant micro accelerometer based on electrostatic stiffness variation

A new out-of-plane resonant micro-machined accelerometer has been designed, modelled and fabricated. The sensing principle is based on the variation of the electrostatic stiffness of two torsional resonators mechanically coupled with an inertial proof mass. The accelerometer, fabricated by the ThELMA^® surface micro-machining process of STMicroelectronics, constitutes a further step of a research focussing on the design of in-plane and out-of-plane resonant micro accelerometers. Preliminary electrostatic measures of the torsional resonators response have been compared with the theoretical predictions.     

PIGA自动化实时测试系统的设计与实现

本文介绍一种针对摆式积分陀螺加速度计（ＰＩＧＡ）的输出与回路状态变量进行实时测试的自动化测试系统。根据对测试系统的测试要求和多路待测试的信号特点，设计了一套集外中断计时、ＧＰ—ＩＢ总线接口、实时数据与图象动态显示、完美的用户界面于一体的测试软、硬件，并对采样数据的处理进行了研究，该实时测试系统在工程实际应用中精度较高，取得了较为满意的效果     

一种谐振式微加速度计表芯非线性动力学分析及实验

在研制基于静电刚度谐振式微加速度计过程中,发现增大激励电压可以提高输出信噪比,但响应的振动幅度将不稳定,同时谐振频率也将会出现漂移。针对上述问题,建立了静电驱动微机械谐振系统等效行为模型,非线性动力学理论分析结果与实验现象一致,总结出需要从加速度计结构参数优化和减小激励电压两个方面来减小频率漂移和提高分辨率。将结构优化准则应用到制造的微加速度计上,实验结果表明:在5 V敏感电压下,闭环条件下单梁加速度计灵敏度为58 Hz/g,分辨率为3.5 mg。     

两位置法快速测定近钻头惯性测量模块的温漂模型

近钻头惯性测量模块(Near-bit Inertial Measurement,NIM)用于石油钻井中实时测量导向外套的姿态角,是导向钻进闭环控制中的重要组成部分。它采用三轴加速度计组合测量重力加速度实现姿态角测量。为了提高加速度计在工作温度范围内的测量精度,需对其进行温漂模型标定。针对三轴加速度计组合的传统12位置翻滚温度模型测定方法存在耗时长、操作效率低的局限性,提出一种新的加速度计三轴组合温度模型标定方法——两位置法,并通过实验验证了温度补偿的效果。在10℃~150℃的温度范围内,补偿后加速度的测量精度达5×10~(-4)g,完全满足NIM测量姿态角的要求。     

大量程闭环MEMS加速度计非线性分析与优化法

为研究大量程翘翘板摆式闭环MEMS加速度计系统的输出非线性,分别从质量块受力不平衡所产生的平动效应以及电路零位引起质量块闭环平衡位置偏差两个主要误差源入手,建立了两种误差引起加速度计非线性的数学模型,并采用ANSYS和Simulink软件对传感器结构及系统进行了仿真验证,确定了该模型的正确性及非线性的优化方法。最后,按照以上分析进行了样机制作和离心测试。试验结果表明,通过减小翘翘板摆式结构质量块的平动效应,可将±150g量程加速度计的非线性由5.4979′10-2减小至5.320′10~(-3),在此基础上通过减小质量块闭环平衡位置偏差,可进一步将加速度计的非线性减小至2.772′10~(-3)。