基于SOI的电容式微加速度计的建模及系统级仿真

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微加速度计是微惯性测量组合(包括微加速度计和微陀螺仪)的关键部件,在许多相关领域都有着广阔的发展和应用前景。特别是基于SOI(绝缘衬底上的硅,Silicon on insulator)的电容式微加速度计已成为目前研究和分析的热点,采用SOI技术的微加速度计不但具有较好的硅机械特性,而且使CMOS(互补金属氧化物半导体,Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺与MEMS加工工艺能够兼容,为加速度计表头与CMOS单片集成提供了可能,实现了惯性器件微型化、可集成化、易批量生产等优点。  本文以电容式微加速度计为研究对象,主要进行了基于SOI技术的微加速度计的传感器结构设计与建模仿真,并针对传感器设计了相应的控制及检测电路,在此基础上进行了微加速度计的系统级仿真等研究。根据目前国内外MEMS惯性加速度计的发展现状和国内加工工艺条件的限制,采用了一种基于SOI技术的梳齿状偏置电容式微加速度计的结构;基于该结构,首先通过理论公式的推导和分析,说明了其具体的工作原理,建立了器件的分辨率、灵敏度、阻尼系数和量程与结构参数和电路参数的关系,并对传感器的关键部件弹性梁进行了选型和设计;利用MEMS软件Coventorware建立了传感器的参数化结构模型进行传感器的仿真分析,包括静力分析、模态分析和平板电容器的非线性特性的分析,对所设计的传感器结构进行了验证优化;通过建立传感器的动力学模型,分析了激励电压和偏置电压在开环情况下和闭环情况下对微加速度计的性能参数和稳定性的具体影响。  最后,分别设计了开环系统和闭环系统下传感器的配套检测与控制电路,并推导了其数学模型,通过利用Matlab/Simulink软件建立了相应的系统级模型,得到了开环系统和闭环系统下系统的性能参数。结果表明闭环系统下,基于SOI的电容式微加速度计具有量程宽、灵敏度高、非线性误差小和工作带宽高等优点。
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