MEMS电容式传感器的批量标定方法研究

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传统的高精度MEMS加速度传感器,常用机械振动台进行标定,这种标定方法操作繁琐、标定效率低下。而随着高精度MEMS传感器大批量生产,振动台逐个标定的方法弊端更加明显,无法满足批量标定的要求。据此本文采用动态静电力模拟标准加速度信号,从而实现电容式MEMS传感器的自标定,以提高电容式高精度微加速度传感器的标定效率。第1章阐述了本文的研究目的和意义。首先介绍了传感器标定的目的及意义以及标定方法的分类;然后介绍了MEMS加速度传感器的几种常用标定方法;接着介绍了MEMS加速度传感器自标定方法的产生和发展以及研究现状,并指出了其发展趋势;再重点介绍了本文的主要研究目的;最后简单介绍了本文的主要研究内容及工作安排。第2章研究了高精度MEMS加速度传感器的自标定原理。首先介绍了变间距式和变面积式电容式传感器的基本原理;然后介绍了电容式传感器的静电驱动原理;接着简单介绍了加速度传感器的基本数学模型;最后重点研究了传感器模型在开环和闭环工作状态下的自标定原理,并分析了实现传感器自标定的方法。第3章研究了电容边缘效应对自标定方法的影响。首先介绍了电容极板的边缘效应及其对静电力的影响;然后分别从开环和闭环两种工作状态分析了边缘效应对高精度MEMS电容式加速度传感器自标定的影响;最后对计算结果进行了分析,结果表明:传感器在闭环工作状态下,边缘效应引起的自标定误差仅为0.18%,理论误差接近于激光干涉仪绝对标定法的误差(0.5%-1%),符合高精度加速度传感器的标定要求;在开环工作状态下,边缘效应引起的自标定误差较大,高达24.2%,但可通过修正将自标定误差降低到1.49%,也能满足部分传感器的标定要求。第4章研究了DRIE工艺误差对自标定方法的影响。首先简单分析了DRIE工艺的误差(梳齿倾斜角)及其对静电力的影响;然后分别分析了开环和闭环工作状态下,梳齿倾斜角对加速度传感器自标定的影响;最后对计算结果进行了分析,结果表明:传感器工作在开环电路时,梳齿的倾斜对传感器自标定影响明显,倾斜角为0.1时,自标定误差约为10%,倾斜角为+0.5时,自标定误差约为32%,倾斜角为0.5时,极板发生吸合;传感器工作在闭环电路下,当倾斜角小于0.5时,自标定的误差小于0.6%,证明在闭环状态下倾斜角对传感器自标定的精度影响很小,基本可以忽略。第5章设计了一种新型的带自标定功能的传感器。首先介绍了新型传感器的整体结构及参数;接着对新型传感器结构进行了模态分析和静态灵敏度分析;最后通过计算表明新型传感器结构可大幅提高传感器驱动能力,增大自标定量程,验证了该结构的可行性。第6章总结了全文的研究成果并分析了论文中的不足,同时对后续工作的进行了展望。
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