靜電剛度諧振式微加速度計相關技術研究.pdf

1、諧振式微加速度計是基于MEMS制作技術的、具有穩(wěn)定性好和準數字的頻率信號輸出等優(yōu)點的新型微加速度計。論文系統(tǒng)地研究了靜電剛度諧振式微加速度計原理、制作、信號處理、測試方法等相關理論和技術,并對制作的樣機進行了測試。
　　 論文的主要研究工作可概括如下:
　　 介紹了微機械加速度計的需求概況,總結對比了各種類型微加速度計的特點,分析了微機械諧振式加速度計國內外研制現狀,歸納了研制中存在的問題。提出了靜電剛度諧振式微加速度計

2、的研究思路、內容和方法。
　　 介紹了平板電容存在靜電負剛度的原理,并分析了如何將靜電負剛度應用于諧振式微加速度計的設計中,根據靜電剛度諧振式微加速度計的動力學原理,確定了結構參數和加載電壓對靈敏度的影響,得到了量程、靈敏度和結構穩(wěn)定性相互制約的關系。分析了頻率差分雙端固支音叉梁的動力學原理,提出通過減小音叉梁固定連接端剛度的方法來抑制面內低階模態(tài)的干擾,并進行了有限元仿真驗證,為合理設計音叉梁結構提供了依據。分析了靜電驅動力對

3、加速度計分辨率和輸出頻率穩(wěn)定度的影響,確定了閉環(huán)驅動控制的要求。
　　 介紹了鍵合后深刻蝕體硅工藝過程,對設計的靜電剛度諧振式微加速度計表芯進行了流片。對制造的微結構進行了幾何尺寸的光學靜態(tài)測量,確定了微結構諧振頻率的范圍。利用激光頻閃干涉測量技術和計算機視覺技術相結合方法,對挑選好的裸片進行了開環(huán)特性動態(tài)測試,發(fā)現了同頻干擾現象。針對微機械諧振式電容傳感器中普遍存在的同頻干擾問題,分析了干擾來源,提出從微結構版圖布局及結構差分

4、設計、頻率調制解調等幾個方面的干擾抑制方法,為了驗證方法的有效性和普適性,針對相同工藝制造的具有相同測控要求的微機械諧振陀螺進行了實驗研究,成功利用高頻方波調制、模擬開關解調方法實現了微機械陀螺開環(huán)特性的測量,真空圓形儲能焊封裝下驅動模態(tài)對應的諧振頻率為13.552kHz,品質因數Q約為1800。
　　 根據靜電驅動的微機械諧振傳感器閉環(huán)恒幅驅動的共性要求,確定了振動幅度的自動增益控制方案,鑒于真空封裝下微機械諧振傳感器系統(tǒng)的高

5、階弱非線性,提出采用近似平均法求解系統(tǒng)的平衡點及線性化后分析系統(tǒng)的穩(wěn)定條件。建立了多種條件下以靜電剛度諧振式微加速度計為例的微機械諧振傳感器的閉環(huán)線性反饋的自激驅動分析模型,理論分析和實驗測試表明,只有直流參考電壓大于起振臨界條件,系統(tǒng)才能從不穩(wěn)定平衡點過渡到穩(wěn)定平衡點;系統(tǒng)相位偏離相位平衡條件將導致驅動力頻率發(fā)生變化,太大的偏差系統(tǒng)將不能起振;調節(jié)濾波器的時間常數可以改變動態(tài)起振時間;當諧振頻率和品質因數變化時,自動增益控制環(huán)在沒有P

6、I控制器下無法實現恒幅驅動。在PI控制器作用下,穩(wěn)念振幅只與直流參考電壓大小有關,但PI控制器的參數需要滿足約束條件,不同的參數對應不同的動態(tài)性能,穩(wěn)態(tài)值不受影響。鑒于加速度計表芯制造進度的滯后,前期采用微機械諧振陀螺對上述理論分析結論進行了實驗驗證,利用自激原理成功實現了陀螺的穩(wěn)定起振,10分鐘內頻率最大偏離穩(wěn)態(tài)值為0.04Hz,輸出信噪比達到80dB,實驗結果與理論分析結論相吻合。
　　 在微機械諧振傳感器的結構封裝品質因數

7、較小時,分析了在幅度開環(huán)控制下,單一的鎖相環(huán)控制下的系統(tǒng)行為,理論分析和仿真表明,要實現穩(wěn)定的閉環(huán)頻率跟蹤,積分控制器需要滿足約束條件;在諧振頻率變化條件下,不能實現恒幅驅動。在加入幅度自動增益控制環(huán)后,幅度控制環(huán)和頻率跟蹤環(huán)相互耦合;有PI控制器可以實現恒幅驅動和穩(wěn)定的頻率跟蹤,但PI控制器參數的選擇需要滿足穩(wěn)定條件,參數還影響系統(tǒng)的動態(tài)性能。
　　 對制造的靜電剛度諧振式微加速度計利用前述頻率調制解調方法進行了開環(huán)測試,測得

8、在直流驅動電壓為15V,交流電壓峰-峰值5V條件下,檢測端固定電容大約為0.4pF,測試結果與有限元分析相一致,變化電容大約為3.1fF。諧振頻率約為35.746kHz,品質因數約為1400,再次驗證了該干擾抑制方法的有效性。利用前述自激驅動方法成功實現了靜電剛度諧振式微加速度計的穩(wěn)定諧振,在閉環(huán)翻轉測試中,在檢測端加載1V直流電壓時,靈敏度為18Hz/g;加載5V直流電壓時,靈敏度為58Hz/g,閉環(huán)諧振頻率10分鐘內最大偏差0.2H