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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