【摘 要】
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微机械加速度计是微机电系统的代表器件之一,在军事与民用领域都有广泛的应用前景。提高性能指标是目前微机械加速度计领域的研究重点。论文以梳齿式电容加速度计为研究对象,针
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微机械加速度计是微机电系统的代表器件之一,在军事与民用领域都有广泛的应用前景。提高性能指标是目前微机械加速度计领域的研究重点。论文以梳齿式电容加速度计为研究对象,针对加速度计量程和精度的提高,研究了电路优化方法,为合理选择电路参数与敏感元件机械参数提供了理论依据。研究对微机械加速度计的设计及其工程化具有重要的理论意义与工程价值。
论文的研究工作主要包括以下内容:提出了增大加速度计量程的敏感元件设计和电路参数优化方法。通过对加速度计静电力的分析,提出梳齿式电容加速度计的最大量程取决于敏感元件机械参数,而最大量程的实现要受到电路参数和敏感元件加工误差的限制。通过建立电路参数和性能指标对应关系的方程,选择预载电压为放大器最大输出摆幅的一半,可以使加速度计的实际量程达到最大;通过设计电测法,能准确地测得敏感元件机械参数的实际加工值,为电路参数优化提供计算依据。电路优化后的加速度计整表量程经测试能达到±50g。
提出了提高加速度计精度指标的电路优化方法。在电路参数优化方法上,认为在满足标度因数稳定性指标的前提下,应通过增大激励信号幅值、减小电容检测电路的交流放大增益,满足薄膜混合集成电路的要求。在电路结构优化上,采用了基准电压源单预载结构电路,减少了电源电压波动对加速度计精度的影响。电路优化后的加速度计非线性度优于0.1%,阈值为0.1mg,分辨率为0.1mg,噪声为20μg/√Hz。
设计并研制了脉冲调宽力平衡加速度计原理样机,分析了脉冲调宽输出形式对加速度计性能指标的影响。脉冲调宽力平衡加速度计的力发生器具有线性特征,并且静电负刚度是常数,有利于提高加速度计的稳定性;但脉冲调宽输出的频率和幅值也会限制加速度计的性能。样机的实验结果说明,脉冲调宽力平衡加速度计可以直接与数字系统接口,适用于要求数字输出,同时量程和精度要求不高的应用场合。
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