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MEMS电容式传感器的批量标定方法研究

作 者: 楼进峰
导 师: 董林玺
学 校: 杭州电子科技大学
专 业: 电路与系统
关键词: MEMS电容式传感器 批量标定 自标定 边缘效应 梳齿倾斜效应
分类号: TP212
类 型: 硕士论文
年 份: 2014年
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内容摘要


传统的高精度MEMS加速度传感器,常用机械振动台进行标定,这种标定方法操作繁琐、标定效率低下。而随着高精度MEMS传感器大批量生产,振动台逐个标定的方法弊端更加明显,无法满足批量标定的要求。据此本文采用动态静电力模拟标准加速度信号,从而实现电容式MEMS传感器的自标定,以提高电容式高精度微加速度传感器的标定效率。第1章阐述了本文的研究目的和意义。首先介绍了传感器标定的目的及意义以及标定方法的分类;然后介绍了MEMS加速度传感器的几种常用标定方法;接着介绍了MEMS加速度传感器自标定方法的产生和发展以及研究现状,并指出了其发展趋势;再重点介绍了本文的主要研究目的;最后简单介绍了本文的主要研究内容及工作安排。第2章研究了高精度MEMS加速度传感器的自标定原理。首先介绍了变间距式和变面积式电容式传感器的基本原理;然后介绍了电容式传感器的静电驱动原理;接着简单介绍了加速度传感器的基本数学模型;最后重点研究了传感器模型在开环和闭环工作状态下的自标定原理,并分析了实现传感器自标定的方法。第3章研究了电容边缘效应对自标定方法的影响。首先介绍了电容极板的边缘效应及其对静电力的影响;然后分别从开环和闭环两种工作状态分析了边缘效应对高精度MEMS电容式加速度传感器自标定的影响;最后对计算结果进行了分析,结果表明:传感器在闭环工作状态下,边缘效应引起的自标定误差仅为0.18%,理论误差接近于激光干涉仪绝对标定法的误差(0.5%-1%),符合高精度加速度传感器的标定要求;在开环工作状态下,边缘效应引起的自标定误差较大,高达24.2%,但可通过修正将自标定误差降低到1.49%,也能满足部分传感器的标定要求。第4章研究了DRIE工艺误差对自标定方法的影响。首先简单分析了DRIE工艺的误差(梳齿倾斜角)及其对静电力的影响;然后分别分析了开环和闭环工作状态下,梳齿倾斜角对加速度传感器自标定的影响;最后对计算结果进行了分析,结果表明:传感器工作在开环电路时,梳齿的倾斜对传感器自标定影响明显,倾斜角为0.1时,自标定误差约为10%,倾斜角为+0.5时,自标定误差约为32%,倾斜角为0.5时,极板发生吸合;传感器工作在闭环电路下,当倾斜角小于0.5时,自标定的误差小于0.6%,证明在闭环状态下倾斜角对传感器自标定的精度影响很小,基本可以忽略。第5章设计了一种新型的带自标定功能的传感器。首先介绍了新型传感器的整体结构及参数;接着对新型传感器结构进行了模态分析和静态灵敏度分析;最后通过计算表明新型传感器结构可大幅提高传感器驱动能力,增大自标定量程,验证了该结构的可行性。第6章总结了全文的研究成果并分析了论文中的不足,同时对后续工作的进行了展望。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-11
第1章 绪论  11-19
  1.1 MEMS 加速度传感器标定方法概述  11-15
    1.1.1 传感器标定的目的及意义  11-12
    1.1.2 传感器标定方法分类  12-13
      1.1.2.1 绝对标定法和比较标定法  12-13
      1.1.2.2 静态标定法和动态标定法  13
    1.1.3 MEMS 加速度传感器常用标定方法简介  13-15
  1.2 MEMS 加速度传感器自标定的产生和发展  15
  1.3 本文的研究目的  15-17
    1.3.1 高精度 MEMS 加速度传感器的动态自标定方法研究  15-16
    1.3.2 电容边缘效应对高精度 MEMS 加速度传感器自标定影响分析  16
    1.3.3 DRIE 工艺对高精度 MEMS 加速度传感器自标定影响分析  16-17
    1.3.4 一种新型的带自标定功能的高精度 MEMS 加速度传感器设计  17
  1.4 本文主要研究内容及工作安排  17-19
第2章 高精度 MEMS 加速度传感器自标定的理论基础  19-31
  2.1 电容式传感器基本原理  19-23
    2.1.1 变间距式  19-22
    2.1.2 变面积式  22-23
  2.2 电容式传感器静电驱动原理  23-25
    2.2.1 变间距式  23-24
    2.2.2 变面积式  24
    2.2.3 电容式静电驱动的优缺点  24-25
  2.3 MEMS 加速度传感器的自标定理论  25-30
    2.3.1 加速度传感器的基本数学模型  25-26
    2.3.2 开环工作状态下传感器的自标定原理  26-28
    2.3.3 闭环工作状态下传感器的自标定原理  28-30
  2.4 本章小结  30-31
第3章 电容边缘效应对自标定影响分析  31-39
  3.1 电容边缘效应  31-32
    3.1.1 电容边缘效应理论概述  31-32
    3.1.2 电容边缘效应对静电驱动的影响分析  32
  3.2 电容边缘效应对自标定的影响分析  32-35
    3.2.1 开环工作状态下电容边缘效应对自标定的影响分析  32-33
    3.2.2 闭环工作状态下电容边缘效应对自标定的影响分析  33-35
  3.3 结果分析  35-38
    3.3.1 传感器模型  35
    3.3.2 开环工作状态下传感器的自标定结果分析  35-37
    3.3.3 闭环工作状态下传感器的自标定结果分析  37-38
  3.4 本章小结  38-39
第4章 DRIE 工艺对自标定影响分析  39-46
  4.1 DRIE 工艺误差概述  39-40
  4.2 倾斜梳齿对传感器自标定的影响分析  40-42
    4.2.1 开环工作状态下倾斜梳齿对传感器自标定的影响  40-41
    4.2.2 闭环工作状态下倾斜梳齿对传感器自标定的影响  41-42
  4.3 结果分析  42-45
    4.3.1 开环工作状态下倾斜梳齿对传感器自标定的影响  42-44
    4.3.2 闭环工作状态下倾斜梳齿对传感器自标定的影响  44-45
  4.4 本章小结  45-46
第5章 一种含自标定功能的微惯性传感器  46-54
  5.1 传感器结构设计的目的及意义  46
  5.2 传感器结构整体构设计  46-50
    5.2.1 静电驱动器原理  48-49
    5.2.2 电容检测原理  49
    5.2.3 传感器的参数设计  49-50
  5.3 有限元分析  50-53
    5.3.1 模态分析  50-51
    5.3.2 灵敏度分析  51-52
    5.3.3 静电驱动器对自标定影响分析  52-53
  5.4 本章小结  53-54
第6章 总结与展望  54-56
  6.1 论文总结  54-55
  6.2 论文中的不足与展望  55-56
致谢  56-57
参考文献  57-60
附录  60

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器(变换器)、传感器
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