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六轴静电悬浮微加速度计的设计及系统级仿真
作 者: 万镇
导 师: 崔峰
学 校: 上海交通大学
专 业: 微电子学与固体电子学
关键词: MEMS 微加速度计 静电悬浮 六自由度 阻尼孔 系统级仿真
分类号: TH824.4
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要
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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全文目录
摘要 3-5 ABSTRACT 5-11 第一章 绪论 11-26 1.1 微加速度计概述 11-12 1.2 国内外研究的现状 12-19 1.2.1 国外的研究现状 12-17 1.2.2 国内的研究情况 17-19 1.3 静电悬浮微加速度计的关键技术分析 19-24 1.3.1 静电悬浮微加速度计的制作技术 19-21 1.3.2 静电悬浮微加速度计的微位移电容检测技术 21-22 1.3.3 静电悬浮微加速度计的设计仿真技术 22-24 1.4 本文的研究意义和主要研究内容 24-25 1.5 本章小结 25-26 第二章 六轴静电悬浮微加速度计的结构及动力学原理 26-37 2.1 六轴静电悬浮微加速度计的结构 26-29 2.2 六轴加速度计的动力学原理 29-36 2.2.1 坐标系 29-31 2.2.2 六自由度加速度计的动态特性 31-35 2.2.2.1 线性运动的动态方程 33-34 2.2.2.2 角运动的动态方程 34-35 2.2.3 六自由度加速度计动态方程分析 35-36 2.3 本章小结 36-37 第三章 六轴静电悬浮微加速度计的阻尼分析与优化 37-48 3.1 阻尼模型 37-39 3.1.1 空气压膜阻尼 38-39 3.1.2 空气滑膜阻尼 39 3.2 静电悬浮微加速度计阻尼分析 39-43 3.2.1 理论分析 40-42 3.2.2 有限元分析 42-43 3.3 阻尼孔的设计 43-47 3.4 本章小结 47-48 第四章 六轴静电悬浮微加速度计的电容与静电力模型 48-68 4.1 电容模型分析 48-52 4.1.1 悬浮质量块的虚地电位分析 48-50 4.1.2 微加速度计多导体系统的电荷分布仿真 50-52 4.2 电极电容的计算公式 52-59 4.2.1 电极电容求解 52-59 4.2.1.1 轴向平动电容模型 52-55 4.2.1.2 侧向平动电容模型 55-57 4.2.1.3 轴向转动电容模型 57-58 4.2.1.4 侧向转动电容模型 58-59 4.3 静电力/力矩的计算公式 59-64 4.3.1 轴向平动静电力模型 59-61 4.3.2 侧向平动静电力模型 61-62 4.3.3 轴向转动静电力矩模型 62-63 4.3.4 侧向转动静电力矩模型 63-64 4.4 六轴静电悬浮加速度计的量程设计 64-66 4.5 本章小结 66-68 第五章 静电悬浮微加速度计的系统级建模仿真 68-85 5.1 COVENTORWARE 软件的建模方法 68-70 5.2 静电悬浮微加速度计的工艺级和物理级建模 70-78 5.2.1 CoventorWare 工艺级建模介绍 70-72 5.2.2 微加速度计的工艺流程及建模 72-77 5.2.3 微加速度计的物理级模型 77-78 5.3 静电悬浮加速度计的器件级和系统级建模仿真 78-84 5.3.1 微加速度计的机电模型 78-79 5.3.2 微加速度计的系统级模型 79-80 5.3.3 微加速度计的起支控制仿真 80-81 5.3.4 微加速度计的稳定悬浮仿真 81-83 5.3.5 微加速度计的输入加速度响应仿真 83-84 5.4 本章小结 84-85 第六章 总结与展望 85-88 6.1 全文总结 85-86 6.2 研究展望 86-88 参考文献 88-94 致谢 94-95 攻读硕士学位期间发表的论文和申请的专利 95-97
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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 力学量测量仪表 > 速度测量仪表 > 加速度计
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