MEMS电容式加速度传感器相关检测技术研究

被引量 : 23次 | 上传用户:yin2002cn2008
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基于MEMS加速度传感器的地震检波器在频带、动态范围和轴向抗干扰性等性能指标上优于传统动圈式检波器。针对高分辨率、高保真、高精度地震勘探这一应用需求,需要进一步提高MEMS加速度传感器的性能。而对于电容式加速度传感器,检测电容的变化多在fF~aF量级,这对检测电路提出了很高的要求,本论文针对微机械电容式加速度传感器相关检测技术进行了深入研究。 首先,根据电容式加速度传感器的动力学方程及其随加速度变化的差动电容结构,建立了等效的电学模型,实现了传感器和接口电路整体模拟的可能。通过对传感器等效电学模型的模拟,分析了传感器的阶跃响应,频率响应,灵敏度及线性度等指标,并提出了优化条件, 接着,建立了力平衡电容式加速度传感器等效电学模型,证明了两种反馈方式对力平衡性能的影响是相同的,讨论了只有相反极性的直流偏压加载方式才可能实现力平衡,分析说明了工艺原因造成的电容极板不平行减小了加速度计可靠工作范围,并且在欠阻尼情况下加速度计可靠工作范围要比相应的准静态情况下小。 最后,确定了调制解调作为检测微小电容变化的方案,先后设计了两种接口电路,对电路的各个功能模块及其实现方式进行了分析和测试,改进电路在载波、前置放大方式、解调方式以及布局布线等方面做了一系列改进,最后利用PSpice对传感器等效电学模型与接口电路进行整体仿真,模拟了加速度计的阶跃响应和不同正弦激励加速度时的响应。通过测试,表明改进后的加速度计具有良好的线性度及频响特性,并证明了其分辨率可以达到0.1mg(54aF),比前期制作的加速度计提高了10倍。野外实验结果表明,目前试制的MEMS检波器在性能方面比较接近传统检波器,对比改进前的检波器在实用化方面上了一个台阶。
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