寇剑菊[1]2003年在《叉指式微加速度计的系统仿真分析》文中认为叉指式微加速度计是一种典型的微机电系统产品，由于它的高灵敏度、好的直流响应、低噪声、低漂移、对温度的敏感性低、低能耗、结构简单的优点，使其有着广泛的应用前景，也是目前国内外攻关的热点之一。 微加速度计涉及到多学科领域的相互作用，如何用模型来较为准确地反映各个领域间的相互作用关系以及如何实现机电混合系统的接口，是设计的关键，一直是比较难于解决的问题。论文采用了一种新的建模仿真法，即原理级描述仿真法，建立了叉指式微加速度计的参数化机电混合系统模型，对其进行分析研究。 本文研究了弹性梁参数对加速度计结构谐振频率、灵敏度、交叉耦合误差的影响趋势，在此基础上给出了一组优化了的弹性梁参数；分别研究了开环和闭环系统检测方式下静电力作用对加速度计性能的影响、吸附现象及弹簧的静电软化现象，在此基础上给出了偏置电压、检测激励信号的取值规则；研究了叉指式微加速度计的动态响应特性，在此基础上优化了电路结构及参数。论文的主要研究结论与实验结果一致。
解磊[2]2007年在《微加速度计电路的集成设计研究》文中认为本文主要对微加速度计的信号检测电路进行了研究,并对电路模块进行了底层的分析和设计。主要研究和完成了以下几个方面的内容;(1)通过对微机电(MEMS)专用设计软件的学习和应用,对叉指式微加速度计机械表头进行了设计和仿真。结合实际情况,确定微加速度计结构参数和工艺文件,利用软件进行二维和叁维实体建模。建立了符合实际要求的微加速度计表头模型,仿真微加速度计在各方向下对于外加加速度的响应。(2)采用两种不同的闭环电路结构;双路调制型和模拟开关电容检测电路。完成了系统级的机械-电子总体设计和仿真。(3)利用软件中的金属-氧化物-半导体晶体管虚拟元件库,对系统电路中的单元模块进行了电路级的设计和仿真。完成电路结构中基本模拟电路模块的集成化设计,如;模拟开关、电压/电流基准源、时钟产生和控制电路、运算放大器、比较器及模拟乘法器等关键模块。在设计中综合考虑了工艺参数和环境因素对电路的影响。(4)运用集成电路设计软件cadence对两种电路,在电路级进行了整体功能仿真。完成了电路整体仿真,验证了电路系统和电路模块在功能上的正确性。并对集成电路版图设计进行了初步分析。论文完成了课题预期的各项设计目标,为微加速度计检测电路的芯片设计做出了一定的贡献,同时也为其他类似电路的集成化设计打下了基础。
刘云涛[3]2010年在《电容式SIGMA-DELTA微加速度计接口ASIC芯片研究》文中指出微机械加速度计以其巨大的军事和民用应用价值而成为各国研究机构和公司研究的重点。其中电容式微加速度计Sigma-Delta(ΣΔ)接口专用集成电路(ASIC),由于结构简单、带宽高、易于采用CMOS工艺实现、在实现闭环工作方式的同时可得到直接的数字输出等优点而成为当前研究的热点之一。随着MEMS技术的不断成熟,集成化、智能化、数字化成为微加速度计的重要发展方向,开展电容式微加速度计ΣΔ接口电路的研究具有重要的研究意义和应用价值。针对当前微加速度计ΣΔ接口电路相关理论研究和电路设计中存在的不足,本文进行了ΣΔ微加速度计系统模型、噪声模型建立及噪声间相互影响分析;ΣΔ微加速度计系统稳定性分析;敏感结构等效电学模型改进;微机械加速度计ΣΔ接口ASIC芯片研制和关键技术研究。利用1位量化器的函数描述法模型,考虑了量化器非线性特性产生的失真影响,建立了ΣΔ微加速度计的系统模型。详细的分析了系统中的噪声因素,并建立了改进的电路噪声和量化噪声模型,电路噪声模型考虑了噪声源间的相互影响,量化噪声模型考虑了敏感结构参数和量化器非线性影响。仿真和测试结果表明,所建立的噪声模型能够准确的预测噪声水平。依据所建立的微加速度计系统模型分析了二阶和高阶系统中电路噪声对量化噪声的影响。结果发现,在二阶系统中,量化噪声受电路噪声的影响严重,导致信号带内量化噪声高于电路噪声,且提高采样频率不能有效地降低量化噪声;高阶系统中,由于非常高的低频增益作用,使其噪声整形能力不受电路噪声影响,从理论上揭示了噪声间的相互作用。基于所建立系统模型,研究了系统的闭环稳定性和与输入信号相关的稳定性问题。在闭环稳定性的研究中,分析了二阶和高阶系统对补偿系数的要求,及补偿系数对噪声性能的影响,得到了系统稳定性与噪声性能之间的折中关系。在与输入信号相关的稳定性研究中,研究了大信号条件下系统稳定性问题,建立了二阶和四阶结构系统稳定的输入信号条件。分析结果表明:二阶系统中,当补偿系数选定使系统稳定后,增加输入信号不会影响系统稳定性;高阶系统中,当输入信号太大时,会使积分器输出饱和,产生过载现象。在分析传统敏感结构等效电学模型局限性的基础上,研究了结构梳齿在外力作用下发生弯曲对闭环系统的影响和使ΣΔ闭环反馈失效的机理。采用分段处理法,将活动梳齿分割成五段,并根据距离质量块越远弯曲越严重的现实,建立了距离质量块最远的两段梳齿的动力学方程,分析了梳齿弯曲对质量块所受静电合力的影响,结合传统电学模型,建立了包含梳齿弯曲因素的改进的等效电学模型。仿真结果表明,在微加速度计系统仿真中,利用敏感结构的传统模型并不能反映出调制器失效特性,输出显示调制器仍然正常工作,而利用本文所建立的敏感结构电学模型能够准确的表现出ΣΔ反馈失效现象,为电路仿真的准确性提供了保障,且该模型能够适用于电路级的Spice仿真。在理论分析的基础上,完成了微加速度计ΣΔ接口电路设计。设计了四阶ΣΔ接口电路和二阶数模混合输出接口电路,提出了一种新型的电容-电压转换电路,克服了传统电荷积分器的电荷泄漏问题,还进行了前置补偿器、积分器、量化器、时序电路等关键单元设计。采用0.5μm两层金属两层多晶CMOS工艺流片后,分别对ASIC芯片和加速度传感器进行了测试。测试结果表明,四阶ΣΔ接口ASIC芯片功耗40mW,电路噪声为7μV/Hz~(1/2),该芯片与北京大学研制的敏感结构组成的微加速度计系统量程±2g,开环非线性度0.211%,灵敏度1.25V/g,开环噪声12μg/Hz~(1/2),闭环噪声80μg/Hz~(1/2)。二阶数模混合输出接口ASIC芯片功耗50mW,闭环数字输出噪声80μg/Hz~(1/2),闭环模拟输出噪声为9.8μg/Hz~(1/2),非线性度0.06%,偏置稳定性0.129mG。本文的理论研究对于电容式加速度计ΣΔ接口电路的研制具有重要的指导意义,设计制作的ASIC接口电路具有重要的应用价值和广阔的应用前景。
陈浩[4]2011年在《基于SOI的电容式微加速度计的建模及系统级仿真分析》文中研究说明微加速度计是微惯性测量组合(包括微加速度计和微陀螺仪)的关键部件,在许多相关领域都有着广阔的发展和应用前景。特别是基于SOI(绝缘衬底上的硅,Silicon on insulator)的电容式微加速度计已成为目前研究和分析的热点,采用SOI技术的微加速度计不但具有较好的硅机械特性,而且使CMOS(互补金属氧化物半导体,Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺与MEMS加工工艺能够兼容,为加速度计表头与CMOS单片集成提供了可能,实现了惯性器件微型化、可集成化、易批量生产等优点。本文以电容式微加速度计为研究对象,主要进行了基于SOI技术的微加速度计的传感器结构设计与建模仿真,并针对传感器设计了相应的控制及检测电路,在此基础上进行了微加速度计的系统级仿真等研究。根据目前国内外MEMS惯性加速度计的发展现状和国内加工工艺条件的限制,采用了一种基于SOI技术的梳齿状偏置电容式微加速度计的结构;基于该结构,首先通过理论公式的推导和分析,说明了其具体的工作原理,建立了器件的分辨率、灵敏度、阻尼系数和量程与结构参数和电路参数的关系,并对传感器的关键部件弹性梁进行了选型和设计;利用MEMS软件Coventorware建立了传感器的参数化结构模型进行传感器的仿真分析,包括静力分析、模态分析和平板电容器的非线性特性的分析,对所设计的传感器结构进行了验证优化;通过建立传感器的动力学模型,分析了激励电压和偏置电压在开环情况下和闭环情况下对微加速度计的性能参数和稳定性的具体影响。最后,分别设计了开环系统和闭环系统下传感器的配套检测与控制电路,并推导了其数学模型,通过利用Matlab/Simulink软件建立了相应的系统级模型,得到了开环系统和闭环系统下系统的性能参数。结果表明闭环系统下,基于SOI的电容式微加速度计具有量程宽、灵敏度高、非线性误差小和工作带宽高等优点。
陈晓亮[5]2009年在《差分电容式微加速度传感器稳定性研究》文中提出电容式微机械加速度传感器是重要的惯性器件之一,具有体积小、成本低、功耗低等优点,在生产生活各个领域得到了广泛的应用。随着科学技术的发展,对微加速度计提出了越来越高的要求,稳定性成为制约加速度计性能的关键因素之一,包括结构耦合灵敏度、零点稳定性和系统的鲁棒性等。本文研究了加速度计非线性阻尼、结构支撑梁、静电力负刚度以及工艺误差等对传感器结构机械稳定性的影响。设计了一种基于PID反馈控制的闭环检测系统模型,并推导了传感器系统传输函数,对系统进行分析,并用MATLAB软件进行了仿真,重点研究了PID控制器对系统稳定性的影响及其补偿作用。结果表明该反馈控制系统可以有效的改善系统带宽和稳定裕度,减小系统输出延迟和阶跃响应时间,很好的调节系统阻尼特性。在此基础上提出了一种高稳定性差分电容式六梁加速度计结构。对该结构进行优化设计,使用有限元软件ANSYS进行了静态和模态仿真,并对该结构的机械稳定性进行了分析,结果表明X轴和Z轴的交叉耦合灵敏度分别只有0.042%和0.019%。为了实现与接口电路在系统级协同仿真,建立了敏感结构的电学模型。结合一种连续时间PID反馈闭环检测电路,对加工误差等对加速度计零点偏移的影响进行了模拟,并给出了一种电容补偿方案;对预载电压和PID控制器对系统稳定性的影响和参数选取进行了研究;在以往测试的基础上分析了温度对传感器系统零点稳定性影响,并提出了一种温度补偿方案。通过模拟分析,对高稳定性加速度传感器的设计具有重要的指导意义。
戴强[6]2010年在《基于SOI的电容式微加速度计器件物理模型与实验研究》文中研究表明基于微机械工艺的电容式微加速度计因其体积小、功耗低、灵敏度高和方便与电路集成等优点,已成为民用工业与国防航空航天惯性导航领域的关键部件和研究热点。其中,在基于SOI的微加速度计器件层应力研究、开环模式非线性模型、跨机械、热、电场领域的一体化仿真方法与模型和梳齿加工偏差对性能的作用诸领域尚有待突破与创新。本论文针对当前电容式微加速度计有待解决的理论技术问题,展开了器件层的应力分析和实验、开环工作模式非线性研究,对集成一体化仿真予以了探索,进行了MEMS加工误差与性能的关系研究。1.分析了SOI器件层中存在的各种应力,及这些应力对微加速度计敏感质量块结构变形的作用,进行了实验,提出了一种支撑结构,导出了该支撑结构的最大变形模型。通过对基于器件层厚50μm,氧化层厚5μm键合SOI片的该结构进行测量,结果表明该模型基本能描述器件层存在应力时的变形。2.根据力学理论和电路读出原理,针对开环模式非线性误差大和SOI器件层存在应力梯度的特点,从非线性特性中最大可测量加速度、初始工作点和吸合点与动定电极间距d的变化规律出发,并结合器件层应力梯度导致弹性梁刚度的改变,提出了电容式微加速度计非线性模型。模型指出,随着输出电压的增加,可测量加速度近似成线性增加,在靠近最大可测量加速度amax时斜率增大,其后随输出电压的增加而减小至吸合点;amax由d和弹性梁刚度与敏感质量块质量之比λ决定,且d的作用优于λ,在计入器件层应力梯度后,可测量加速度范围将增大;d在小于初始工作点时加速度计不能工作,该点由传感头参数η决定且η最佳取值范围为1×1019~2×1019,此时准静态条件下吸合点大于整个动电极行程的95%。3.就MEMS微加速度计涉及机械、电和热等多物理领域情形,基于力学、热学、电学理论和微加速度计工作原理,依据微加速度计中SOI器件层应力梯度、温度与气膜阻尼的关系,用电压形式描述了气体阻尼、应力梯度、温度和机械结构运动微分方程,并与偏置电压产生的静电力相联系,提出了突破中间电极小位移近似的接口电路模型,从而实现了微加速度计的一体化仿真。通过与文献实验数据和相关理论结果进行比较,表明该模型能较好地应用于微加速度计的一体化仿真。4.针对微机械工艺加工可能引起的梳齿间距与版图设计值的偏差,从概率统计和加工误差理论出发,给出了当各梳齿间距偏差在一定范围内独立且均匀分布时,电容式微加速度计电容与静电力模型、灵敏度模型和加速度信号为冲击与阶跃时的响应叁物理模型。(1)电容与静电力模型表明,电容和静电力均为类高斯分布,它们在一定区段出现的可能性可由其准期望和准方差确定,该准期望与无加工误差情况相比有小于5%的偏移;准方差依赖于梳齿数目和梳齿加工误差,当梳齿数目由10增大到60时,电容与静电力分布准方差分别增大约2倍和1倍,而当梳齿加工误差从5%增大到20%时,则分别增大约3.5倍和2.5倍。其结果与有机结合多物理场、有限元和Monte-Carlo方法原理的仿真数据较为接近。(2)导出了单边电容和双边电容驱动的硅微加速度计冲击与阶跃信号响应物理模型。经过有限元仿真和Monte-Carlo模拟验证,结果表明理论模型与仿真值之差小于10%。模型指出,当梳齿间距偏差由0变化到20%,加速度计在受到冲击与阶跃加速度信号作用时,其可靠工作范围将比无偏差理想情况下降10%~15%。(3)建立了可描述灵敏度偏差概率的模型。该模型与通过另一途径统计方法的仿真验证结果相差小于10%。模型表明,当偏差约为25%时,灵敏度减小5~10%的概率系40~50%,而其增大5~10%的概率约25~30%;同时,当梳齿数目越小,灵敏度偏差概率越大,在梳齿数目小于20时,灵敏度减小10%的概率约30%,但当梳齿数目增大到50~60时,该概率减小到10%左右。
凌灵[7]2008年在《基于非硅MEMS的新型微机械加速度计若干技术的研究》文中研究表明加速度传感器就是MEMS技术应用的一个重要领域之一。MEMS惯导加速度传感器是微惯性测量组合(MIMU)的核心部件,在军用航空和民用相关领域有重要的发展前景,研究高性能的MEMS惯导加速度计已成为世界各国的研究热点。基于MEMS技术制造出的微机械加速度计不但具有体积微小化、功能集成化的特点,而且可靠性得到了提高,并且降低了成本,这对于许多高新技术领域的发展具有重要意义。本文以目前最具吸引力的电容式微加速度计作为研究对象,对其总体结构、加工工艺进行了设计,并对加工出的微加速度计进行了电路测试。具体包括以下几个方面:1对微加速度计的工作原理及检测原理进行了分析。2确定电容式微加速度计作为研究对象,分析了电容式微加速度计的几种典型结构,综合性能指标及加工的难易程度选择了相对简单的叁明治式结构。为了改善器件性能,提高量程,采用多轴结构,并将上、中、下极板设计为高对称性的圆形结构。利用ANSYS软件对结构进行仿真分析。且通过下极板的特殊设计,实现微加速度计对称性的检测,使其具有自检功能。3加工工艺的研究设计。结合实验室工艺水平,制定以非硅MEMS加工技术为基础的工艺流程。整个工艺流程主要包括玻璃工艺、刻蚀工艺、牺牲层释放工艺和焊接工艺等几部分,涵括了溅射、光刻、电镀、干法刻蚀、湿法腐蚀等典型的工艺步骤。4电路性能检测。使用电容测试专用芯片MS3110对加工出的微加速度计进行检测,利用单片机实现对MS3110的内部参数调节,使其工作在较好的线性范围和灵敏度条件下。实验数据的采集通过LabVIEW采集卡实现。按照设计的工艺流程,成功的加工出了叁明治式结构的下极板和中间极板,积累了一定的工艺经验。通过检测芯片对其进行检测,分析采集数据,表明加工出的器件具有较好的对称性。
李海涛[8]2009年在《闭环微加速度计接口全差分ASIC电路的设计》文中指出为了实现高性能闭环微加速度计检测系统,本文对全差分检测电路进行了研究。检测电路分为全桥平衡模块、电荷放大器模块、信号放大模块、相关双采样模块、采样保持模块、闭环反馈模块、低通滤波模块和数字时序控制模块。本文对电路各模块的具体设计方法给出了详细的分析和介绍,并对电路系统的误差电压和噪声做了详尽的分析,以这些理论分析结果来优化电路性能。分析结果表明,对于给定的传感器结构,前级运放单位增益带宽和等效输入噪声、电荷放大器反馈电容、系统采样频率、参考电压源噪声、激发电压大小和前级运放输入端寄生电阻对电路性能影响很大。在实际设计中需要在灵敏度、量程、功耗、噪声、建立电压精度、工作带宽和信号保真度之间折衷。最终优化设计的电路等效输入噪声为1.63μg/-Hz~(1/2) ,可以与传感器结构噪声相比拟。利用商用0.5μm CMOS DPDM 18V/5V工艺库完成电路设计,采用Hspice进行电路仿真。仿真结果发现,全差分检测电路与单端检测电路相比,零点漂移最大减小了71.0%,线性度提高了62.5%。最终整体电路性能如下:在±5V工作电压下,对于1kHz激发频率加速度输入,系统灵敏度为0.308V/g,零点漂移-1.456mV,非线性为0.03%。本文完成了版图设计,并从版图布局、器件匹配、噪声保护和可靠性设计几个方面对版图进行了优化设计,Hspice后仿真结果为:在±5V工作电压下,对于1kHz激发频率±1g加速度输入,系统灵敏度为0.269V/g,零点漂移-106.54μV。本文也研究了PID控制器对检测电路系统的影响,研究表明:PID控制器使系统线性提高了66.7%;对于阶跃信号输入,PID控制器使系统响应速度提高了31%,也减小了信号的稳态误差。加入PID控制器最终电路性能为:对于1kHz激发频率下±1g加速度输入的信号输出,输出信号在1ms内达到稳定值,电路灵敏度为0.22V/g,系统零偏低于0.9mV。
宋文平[9]2017年在《基于SOI的叁轴电容式微加速度计的设计、仿真与工艺研究》文中研究指明微型化是当今科学技术的重要发展方向,微系统(微机电系统,MEMS)是实现和利用微型化的关键技术之一。MEMS器件以其微型化、功能多样化、生产批量化、多学科交叉等特点受到了诸多国家的重视与研究,并取得了可观的成果。SOI技术的发展,使MEMS与集成电路兼容性大大提高,更进一步促进了MEMS的发展。作为MEMS重要研究方向之一的微加速度计,也在迅猛发展,并且基于SOI的微加速度计是未来惯性测量、制导的一个重要发展方向。结合研究背景及发展现状,比较微加速度计的种类与特点,选择基于SOI的叁轴电容式微加速度计为研究对象。MEMS工艺离不开集成电路工艺,本课题所用到的集成电路工艺有氧化、光刻、物理气相淀积等技术。MEMS微细加工技术大致有叁种,分别为体微加工技术、表面微加工技术和特种微加工。通过对微加速度计工作原理的研究分析,结合实验室现有的工艺条件,本文自主研究并设计了一种基于SOI的单质量块检测叁个轴向加速度的电容式微加速度计。水平方向的检测电容是定齿偏置变间距型等高梳齿,Z轴方向的检测电容是定齿均置变面积型不等高梳齿。支撑梁是由四组中心对称的蛇形梁组成,具有高灵敏度、大量程的特点。敏感质量块是由带阻尼孔的质量块和可动梳齿构成。利用Ansys14.0对微加速度计进行了建模和有限元仿真分析,主要包括静力学仿真和动力学仿真。通过静力学仿真,我们选定20μm为器件层厚度,并获得了微加速度计在叁个轴向的位移灵敏度和电容灵敏度,同时验证了微加速度计在0g-100g范围内具有良好的线性度,并设定该微加速度计的量程为2000g;通过动力学仿真我们获得了微加速度计在叁个轴向的谐振频率和振形。在实验室现有条件下进行微加速度计的制造工艺研究。主要进行了金属蒸镀工艺、光刻工艺、干法刻蚀工艺、二氧化硅腐蚀工艺、Al的腐蚀及Cr的剥离工艺等工艺研究,并确定了各步的工艺参数,最终制定了符合要求的工艺流程。
丁子乔[10]2015年在《电容式微加速度计敏感元件中非理想因素的检测与研究》文中进行了进一步梳理微加速度计的应用已经渗透到日常生活中的方方面面,大到航天、汽车、工业设备,小到手机、游戏机中都能看到它的身影。叉指式微加速度计具有体积小、成本低、线性度好等优点,是新兴传感器中的代表。随着MEMS技术的不断发展微加速度计的性能也在不断提高但仍存在许多不足之处,为了满足航天航空等高端领域的应用要求,需要不断的提高传感器的精度和稳定性。如何提高加速度计的分辨率、灵敏度以及抑制零偏和漂移成为了微加速度计研究中的重点。在理想情况下叉指式微加速度计被等效为一对初值相等的差分电容,它们的电容差与输入的加速度线性相关。但是在设计和加工的过程中由于结构、工艺以及封装的影响会导致一些非理想因素的产生,如有效梳齿电容失配、寄生电容、接触电阻以及电容漏电等,它们的存在会对系统的噪声和零偏等关键性能产生不可忽略的影响。因此,有必要对微加速度计中的各非理想因素进行研究分析。论文主要研究成果包括:1.分析了叉指电容式微加速度计的检测原理并设计了相应的高性能开环检测电路,为研究微加速度计系统中非理想因素的具体影响形式和影响程度提供了电路模型基础。2.根据电路模型,理论分析了微加速度计敏感元件中各非理想因素产生的原因以及它们对系统的具体影响形式,为研究提供了理论基础。3.针对不同的非理想因素设计了不同的检测方法,实现了各非理想因素的精确检测,为精确量化各非理想因素的影响以及微加速度计的优化研究提供了数据基础。4.根据实验数据建立了精确的微加速度计表芯等效电气模型,根据实际的模型参数计算分析了各非理想因素度对开环微加速度计系统噪声性能、零偏性能的影响,并进行了初步的噪声和零偏测试。最后文中还提出了相应的优化目标和优化方案。
参考文献：
[1]. 叉指式微加速度计的系统仿真分析[D]. 寇剑菊. 中国工程物理研究院北京研究生部. 2003
[2]. 微加速度计电路的集成设计研究[D]. 解磊. 中国工程物理研究院. 2007
[3]. 电容式SIGMA-DELTA微加速度计接口ASIC芯片研究[D]. 刘云涛. 哈尔滨工业大学. 2010
[4]. 基于SOI的电容式微加速度计的建模及系统级仿真分析[D]. 陈浩. 电子科技大学. 2011
[5]. 差分电容式微加速度传感器稳定性研究[D]. 陈晓亮. 哈尔滨工业大学. 2009
[6]. 基于SOI的电容式微加速度计器件物理模型与实验研究[D]. 戴强. 电子科技大学. 2010
[7]. 基于非硅MEMS的新型微机械加速度计若干技术的研究[D]. 凌灵. 上海交通大学. 2008
[8]. 闭环微加速度计接口全差分ASIC电路的设计[D]. 李海涛. 哈尔滨工业大学. 2009
[9]. 基于SOI的叁轴电容式微加速度计的设计、仿真与工艺研究[D]. 宋文平. 电子科技大学. 2017
[10]. 电容式微加速度计敏感元件中非理想因素的检测与研究[D]. 丁子乔. 电子科技大学. 2015
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