电子论文-电容式微机械加速度计闭环系统的零偏.pdf

0 A A B 通过敏感惯性力的变化转换成电容的变化来测量外 加的加速度 其微机械部分原理如图 所示H闭环系 统电路部分包括信号调理Q信号发生Q反馈加力Q 校正几部分H将两路幅值相等Q相位相反的正弦载波 分别加到一对检测电容上 输出的电压经交流放大 和相敏解调后输出有方向的直流信号 对直流信号 进行 校正就可得到输出电压H 图 定齿偏置梳齿式加速度计原理图 研究微加速度计的静平衡 特别是零偏输出和 重复性 对于掌握闭环系统控制规律 提高性能指标 具有重要作用H现有的电容式微加速度计模型认为 零偏是由机械零位 无加速度输入时动齿的平衡位 置 和电零位 前置电路直流输出为零时动齿的位 置 的不重合造成的 而这个不重合度是固定的 因 此零偏也是固定的H但在研究中发现 在低预载时 如果两路预载加载次序不一 预载由电源分压得来 其加载次序体现为正负电源上电次序不一 将导致 输出有两个零偏H如果提高预载电压 零偏差值越来 越小 预载越大 差值减小得越慢H为解释这种特殊 现象 需要建立新的静平衡模型 从理论和实验两方 面研究H 万方数据 静平衡的理论分析 零偏不一致的原理分析 如图 所示 梳齿分为静齿和动齿 静齿又分为 检测齿和加力齿 由于梳齿结构上下对称 共有所示 另外 动 齿的位置并非惟一 由于电容检测电路分辨率的限 制 目前的最小电容分辨率 7 8 12约为 为输 出电压 并作为反馈信号 代入式 A 整理成关于 S3 的方程 解得M S3 5 ST N 3 69 6 VW 仅为 ST N 3的几倍 S3 1 RN 检测电容 S1 P T U 加力电容 1 3 T U 电容间距 1 代入式2 4 2 B 4 2 E 4计算 处理后平衡位置 量级Y Z 由此也可以估计分布电容的 大小 91 X 时 T1 X S 2 时 T 2 P 4 S 由于预载是 随供电电压变化的 由此可见 提高电源电压有助于 减小检测盲区 提高重复性指标 另外 我们可以通过9估计零偏重复性 忽略 分布电容影响 理想的最小可检测位移为 6 X1 则6 X1 T 如果 1 3 O 标度因 数 1 ON a 1 1 3 T U 1 RN 代入式2 4得6 7 8 X1E B Q O 因此 在这 种情况下零偏重复性最好的指标是 Pa 为了提高重复性指标 需要在电路上确保动齿 只停留在检测盲区的固定一侧 或是使得盲区变窄 如果保持两路预载的加载次序和时间差 可以实现 前一种情形Y而提高信号调理电路的分辨率 减小 分布电容则可以实现后一种情形 经电路改进后零 偏重复性可达 1 2 6 789 9 8 012 8 789 9 8 D 012 6 789 9 8 012 8 5 8 E F 58 F 012 8 5 8 E F 58 F Y H a b 1 H a RSY S c H Y de d 1 S f Y g Y H Z 4h a Y H Z c b iH Y j a Y kl a a 8 Y Hm c Y H a 8 袁光 梳齿式微机械加速度计的结构设计与实验研究 T 北京4清华大学 G G G nieVW b H Z o b b T a Y Z H H pq r Y 1 H d o b p k H m 1 SY s e d 1 T f Y g Y H Z 4h a Y H Z c b iH Y j a Y k G G G Y Hm c Y H a 刘云峰 董景新 微机械梳齿式加速度计结构设计的系统考 虑 e 8 年惯性仪表与元件学术交流会论文集 m 辽 宁丹东4中国惯性技术学会惯性仪表与元件专业委员会 8 G u i nb H H Z T UVW X Y H Z Y H o k a 1 H a Y p Y H a b b p a Y Z HY H1Y s 1 c H Y d1b d Y s Y H Z d 1 e m H H H H Y d H a b 1 H a H p m 1r H H a m T H p H Z u Y H Y H Z 4l a a Y H d m 11Y H Y d H a b 1 H a H p m 1r H H a m c Y H a o Y k H Y dh c H d Z k 8 G Y H m c Y H a 6 vq v H Z w i n H Z x Y H Z neVW n H Z g b H d e d 1 zY c 1 H Y d s r Y H X 7 7 7 7 8 8 4 8 E 高钟毓 静电场耦合微机电系统的动态模型 X 机械工程 学报 8 J 4G A W eU c H Z k b T k H 1Y 1 p d a Sq SozY c d a Y Y d p b r d Y H Z X 7 7 8 J 4 G A Y Hm c Y H a 刘云峰 董景新 曹志锦 关于微硅机械加速度计表头设计 的几个问题 X 测控技术 8 8 8 4A u inb H H Z T UVWX Y H Z Y H m eU c Y g Y H o r Y d r 1a a Y Z H 1Y 1 c H Y d d 1 X 0 1 7 2 7 7 8 8 8 4 A Y Hm c Y H a A 李疆 高钟毓 董景新 等 电测法测量梳齿式微机械加速 度 计的机械参数 X 清华大学学报 自然科学版 8 3 J E 4 E E 6 u X Y H Z W eU c H Z k b T UVWX Y H Z Y H d q d 1 Y 1 c p 1 a b Y H Z c 1 c H Y d r 1 a 1 1Y s 1 c H Y d d 1 X 7 0 47 5 6 2 8 3 J E 4 E E 6 Y Hm c Y H a Ui 7b H c p 1 a b Y H Z1 c H Y d r r Y a c Y H Y d 1a Y HSq So e l 6 c q q q H m H o d Y p s o H p H Z pm Y b Y h c H d Z k m f Y g Y H Z 4 q q ql a a G G E 6 6 G 6 8 清 华 大 学 学 报 自 然 科 学 版 8 E 6 E 8 万方数据 电容式微机械加速度计闭环系统的零偏电容式微机械加速度计闭环系统的零偏 作者 吴天准 董景新 刘云峰 WU Tianzhun DONG Jingxin Liu Yunfeng 作者单位 清华大学 精密仪器与机械学系 北京 100084 刊名 清华大学学报 自然科学版 英文刊名 JOURNAL OF TSINGHUA UNIVERSITY SCIENCE AND TECHNOLOGY 年 卷 期 2005 45 2 引用次数 4次 参考文献 8条 参考文献 8条 1 董景新 微惯性仪表 微机械加速度计 2003 2 袁光 梳齿式微机械加速度计的结构设计与实验研究 1999 3 刘云峰 董景新 微机械梳齿式加速度计结构设计的系统考虑 会议论文 2003 4 何洪涛 徐永青 杨拥军 吕苗 郑锋 吝海峰 梳齿差分电容式体硅微加速度计 期刊论文 微纳电子技术 2002 11 5 高钟毓 静电场耦合微机电系统的动态模型 期刊论文 机械工程学报 2001 3 6 刘云峰 董景新 曹志锦 关于微硅机械加速度计表头设计的几个问题 期刊论文 测控技术 2002 12 7 李疆 高钟毓 董景新 刘云峰 王松 电测法测量梳齿式微机械加速度计的机械参数 期刊论文 清华大学学报 自然科学版 2003 5 8 Zou Quanbo LI Zhijian LIU Litian Study of method for measuring mechanical properties of thin films in MEMS 1995 相似文献 1条 相似文献 1条 1 学位论文 刘宗林 电容式微惯性器件设计理论与方法研究 2004 电容式微惯性器件是应用微机电系统 MEMS 技术研发出来的典型微传感器 在军事装备和工业产品领域具有广阔的应用前景 但是目前这些传感 器性能还比较低 而且没有形成统一的设计理论与方法 本文以电容式微加速度计和电容式微陀螺为研究对象 针对器件的结构设计 建模与仿真 检测电路设计与控制方法 结构优化等研究内容 对微惯性器件的设计理论和实现方法作了深入的研究 论文的主要内容和创新点如下 1 提 出了微加速度计和微陀螺主要设计目标和内容 根据传统设计方法的缺点提出了新颖的适合电容式微惯性器件特点的设计思路和流程 规范了电容式 微惯性器件的设计过程 同时对电容式微惯性器件中的各功能单元和参数模型进行了详细的推导 建立了复杂支撑梁类型与模型 阻尼模型 检测电 容模型和静电驱动力模型 运用动力学和材料力学相结合的方法推导出复杂结构支撑梁的等效惯性质量 2 根据设计的单轴电容式微加速计分 析了微加速计的建模方法以及加速度计性能指标与设计参数之间的数学关系 采用上述设计方法设计了新型全差分三轴微加速度计 推导出保证微加 速度各个方向灵敏度统一的条件 分析了三轴微加速度计的交叉耦合干扰问题 为进一步提高传感器的测量精度提供了理论基础 3 提出了两 种静电力反馈单元结构方案 分析了电容式微惯性器件的模拟检测与控制电路模型 总结出提高系统输出性能且抑制非线性因素影响系统精度的电路 增益设计原则 提出了电容式微加速度计闭环控制的PID鲁棒性控制方法 4 设计了新型解耦电容式微陀螺结构 驱动模态和敏感模态都采用横 向叉指电容阵列检测结构以及纵向叉指电容阵列驱动结构 分析其动力学模型 推导出微陀螺的各性能指标 总结出灵敏度与两个模态固有频率关的 关系 提出灵敏度设计原则 利用纵向叉指阵列反馈静电力设计了优良的谐振频率调整方法 为实现高灵敏度微陀螺提供了新方法 5 分析了 微陀螺双闭环控制模型 根据微陀螺结构以及检测信号的特点 提出了保持驱动模态谐振频率始终不变的改进型驱动模态控制电路和保持反馈静电力 与哥氏力始终同相的改进型敏感模态闭环回路 有利于提高闭环系统的稳定性 有效的改善了微陀螺的动态性能 6 总结出微惯性器件的优化 设计方法 运用最优化设计理论优化微惯性器件结构参数 分别针对单轴微加速度 三轴微加速度计和解耦型微陀螺进行最优化设计 总结出微惯性 器件电学模拟的理论和方法 为评价微器件性能提供新的手段 系统分析了微惯性器件的误差来源 分别分析了机械制造误差以及机械结构和电路的 热噪声影响微器件性能的参数模型 本文对电容式微惯性传感器设计中的各个技术难点都进行了较完整的理论研究 提出了解决相关问题的对 策 研究成果具有一定的创新性 不仅充实了微惯性器件设计理论 为提高微惯性器件性能提供了理论依据和新方法 而且研究结论具有一定的普适 性 适用于其他类型的微惯性传感器 微执行器 微压力传感器等微机电系统器件 引证文献 5条 引证文献 5条 1 刘民杰 董景新 电容式微加速度计零偏的补偿方法 期刊论文 中国惯