论文部分内容阅读
目前,MEMS传感器的应用越来越广。近来国内外对传感器自校准技术都有研究,而通过集成微振动台去实现自校准已经是一种主流的技术。它摆脱了传统自校准技术对于仪器的依赖,克服了传感器拆卸的不便,使得传感器自校准变得更加自动化和智能化,可应用在高精度场合。据此,本文对加速度传感器及自标定相关技术问题做了系统的研究。第一章说明了本文的研究目的。首先介绍了MEMS技术的背景,并调研了国内高校MEMS设计技术和加工工艺方面的现状。接着本章介绍了MEMS传感器的主流应用场景,然后介绍了本文要分析的MEMS传感器自校准技术和微振动台技术。最后概括了本文各章节的具体工作内容安排。第二章研究内容是微振动台的基本原理和基本结构。首先介绍了微振动台的常见实现材料,分析了不同材料的优劣。其次针对应用最广的压电材料,分析了它的工作原理和常用参数:压电常数、压电系数等,最后针对现有驱动模式,做了压电振动台的振动仿真,观察了其驱动功能的实现方式和结果。结果验证了利用压电振动台去实现驱动是可行的。第三章分析了加入振动台后,对原传感器正常工作时的特性有无影响;因为加入振动台有利有弊,很可能影响到传感器正常工作时的准确度。首先对上一章的振动台做了模态仿真,观察它的共振频率,接着介绍了在仿真中要比较的传感器输出性能指标:带宽,模态频率、输出灵敏度等。然后建立模型,在仿真软件中观察无振动台时,经封装的单轴加速度传感器的1g应力位移输出和频率响应,同时分析了设计的双轴传感器灵敏度和耦合;然后加入微振动台模型,分析单轴和双轴传感器-微振动台系统的1g应力响应和幅频特性。结果表明,加入振动台后,改变了传感器的模态频率,使得单轴和双轴加速度计的带宽缩减了～4.3%和～3%,在带宽内的输出幅度也有了一定的削弱。第四章针对振动台中自带传感器,主要通过线性度和灵敏度两个重要参数,理论分析了倾斜式和平板式电容传感器的区别,比较了两种结构的优缺点;结论是电极板上下平移变间距式改成倾斜式变间距后,输出的线性度得到了明显改善,这就表示可以进一步扩大它的量程。但是电容变化量的数值变得比较小,更依赖于放大电路的信号放大。第五章主要分析了可能存在的中心不对准和偏移对传感器性能的影响。首先介绍了微振动台结构的加工工艺;其次先分析了传感器和振动台间中心可能不在一直线上对传感器幅度,频率等输出的影响,仿真结果表明,微小的偏移量如10μm到50μm,几乎看不出对单轴和双轴传感器的性能影响,在模态频率上仅有零点几赫兹的偏差,输出幅度上也仅有微小改变;然后再分析了传感器和振动台间可能存在的倾斜对传感器输出特性的影响,结果表明,1°的轻微倾斜对于传感器的共振频率的改变相对比较明显,约有几十赫兹的改变;另外还仿真分析了倾斜时,由于力产生分量对于传感器输出幅度的影响,结果表明原传感器在应力方向上输出减小,而在分量方向上产生了一定的输出值,验证了猜测的正确性。第六章总结了本文的研究内容和结果,也阐述了论文中可以进一步改进的不足,并对未来的工作进行展望。