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嵌入可动电极的微惯性传感器的设计与相关IC检测电路研究

王晓迪  
【摘要】:MEMS电容式微惯性传感器因其具有尺寸小、灵敏度高、稳定性好、温度漂移小、功耗低、很好的工作在力平衡模式下等等优点,在军事、汽车工业、生物医学、消费电子、惯性导航等领域得到广泛的应用。 本论文首先分析了电容式微惯性传感器的测量控制原理和系统动态模型,并在此基础上通过三个方面设计出新型嵌入横向可动电极的微惯性传感器,分别是:支撑梁结构、微执行器结构和检测电容结构。通过分别对以上三方面不同结构模型的分析对比,在传感器设计中选用U形梁结构作为传感器的支撑梁,电磁执行器作为驱动力,梳栅结构作为检测电容结构。其中为了克服深反应离子刻蚀关于深宽比不能做大的限制和降低噪声,详细介绍了电磁驱动增大传感器初始检测电容的工作原理,通过嵌入可动电极和电磁驱动作用减小电容间隙,结果表明,电磁驱动使得传感器的电容间隙减小4μm,初始检测电容由1.28pf增大到6.4pf。 根据以上理论分析和参数设计,论文给出了新型电容式微惯性传感器的整体结构模型,并利用有限元软件Ansys进行仿真。结果表明所设计的传感器在非敏感方向上梁的刚度较大,轴向交叉效应得到了有效抑制;传感器的静态位移灵敏度为0.659μm/g,施加电磁驱动前后的电容灵敏度分别为0.15pf/g和0.192pf/g,增大为原来的1.28倍;同时最大应力分析结果表明,传感器能够抵挡1000g的加速度信号的冲击而不被损坏。之后利用电磁分析软件ANSOFT-Maxwell分析了边缘效应对传感器性能的影响,表明小尺寸的传感器电容的边缘效应不可忽略。 论文设计了微惯性传感器的版图和MEMS器件制作的工艺步骤,给出了传感器的初步制作结果,同时通过对传感器的截面剖图说明了传感器的内部单元和检测电容间距,介绍了传感器的实际工作原理,以此证明传感器制作工艺的可行性和合理性。 论文设计了电容式微惯性传感器的检测电路,对其进行理论分析和说明,并利用OrCAD中的Pspice软件对电路进行了模拟,最后对设计的电路进行了实验验证。


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