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六轴静电悬浮微加速度计的设计及系统级仿真

万镇  
【摘要】:加速度计是一种惯性测量元件,已广泛应用于航空、航天、航海、测量等领域。基于MEMS技术的静电悬浮微加速度计以其高精度、小型化、低成本等优点,引起国内外的研究重视。六轴静电悬浮微加速度计(MESA)通过检测质量块和电极之间形成的差动电容来测量线位移和角位移,并在静电力/力矩平衡回路的作用下,实现检验质量块的六自由度悬浮。它可同时测量六轴加速度(三轴线加速度和三轴角加速度),其灵敏度、刚度、量程以及带宽都可以灵活调节,非常适合于近地及空间环境应用。 本论文设计了一种基于非硅MEMS制造技术的微加速度计结构,对悬浮质量块的阻尼特性和阻尼孔优化设计进行了研究,建立了电容和静电力模型,最后对加速度计工作过程进行了系统级的建模和仿真。本文的主要研究内容和成果如下: 1、阐述了六轴静电悬浮微加速度计的设计结构及工作原理。建立了测量六自由度加速度的动力学模型,得到测量线性加速度和角加速度的动态方程,为高精度六轴微加速度计的设计提供了理论指导。 2、对静电悬浮加速度计的阻尼特性进行了分析,设计了优化的检验质量块阻尼孔结构。计算分析了检验质量块圆形、方形阻尼孔,在不同数量(16个和25个)、尺寸和排布下组成的十二种结构的压膜阻尼系数,通过比较,得到了在同样的阻尼孔面积下,阻尼系数最小的25个方形阻尼孔的优化排布结构。 3、建立了六轴静电悬浮微加速度计的电容和静电力/力矩模型。通过建模得到了加速度计各个自由度检测电极电容的解析表达式,推导了静电力/力矩的计算公式,并利用有限元分析得出的数值解进行验证。根据静电力/力矩公式进行了六自由度加速度测量的量程设计。 4、六轴静电悬浮微加速度计的机电系统建模仿真。在MEMS专业设计软件CoventorWare中,构建了微加速度计的工艺级模型、物理级模型、器件级模型以及系统级模型。通过系统级模型,对静电悬浮微加速度计的起支、稳定悬浮以及输入加速度检测过程进行了仿真。表明建模仿真是微加速度计复杂系统设计的一个有效途径,可为微加工工艺及测控参数的选取提供理论依据。


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