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梳齿式加速度传感器是一种典型的应用微机电系统(MEMS)技术加工而成的电容式加速度传感器,在消费电子、惯性导航等领域有着广阔的应用前景。梳齿式加速度传感器的输出漂移现象是影响器件测量精度,限制器件在高精度领域(如惯性导航)应用的主要原因之一。梳齿式加速度传感器的输出漂移现象是指当输入加速度保持不变时,传感器的输出信号发生改变的情况。 梳齿式加速度传感器的漂移现象包括时间漂移以及温度漂移。当前关于梳齿式加速度传感器输出漂移的研究主要集中于讨论温度漂移,也即环境温度变化对加速度传感器性能的影响。传感器敏感结构中所包含材料的弹性模量以及温度系数各不相同,不同材料受到温度变化影响而产生的形变也不相同,因而温度变化会导致敏感结构之间产生热应力,导致加速度传感器的零位值及灵敏度等特性参数随温度变化发生改变。梳齿式加速度传感器的时间漂移现象可进一步分为长期漂移和短期漂移,本文主要关注梳齿式加速度传感器的短期漂移现象。现有的关于MEMS谐振器以及RF开关的研究表明,介质充电效应与器件的短期漂移现象有直接的关系。梳齿式加速度传感器敏感结构的设计中通常不包含电介质,因而在分析传感器性能的过程中通常忽略电介质的影响。然而在器件实际的加工过程中,通过自然氧化作用,电介质会在传感器敏感结构表面形成,并对器件性能产生影响。目前还缺少关于介质充电效应对梳齿式加速度传感器性能影响的相关研究。研究介质充电效应对传感器输出漂移的影响对于完善传感器输出稳定性研究以及提升传感器输出稳定性有重要的理论及工程意义。 本文建立了恒定输入加速度条件下传感器敏感结构的稳态模型,分析了介质充电效应对加速度传感器稳态模型的影响。在此基础之上,讨论了输出漂移的形成原因以及决定输出漂移量的主要因素,同时提出了减小加速度传感器输出漂移的检测电路改进方案。本文主要研究内容包括以下几点: 1、建立梳齿式加速度传感器敏感结构在恒定加速度输入条件下的系统模型,分析敏感结构中可动质量块的受力情况以及影响加速度传感器输出电压的主要因素。输入加速度恒定时加速度传感器的稳态模型是分析介质充电效应对器件性能影响的基础。 2、分析梳齿式加速度传感器敏感结构中电介质的分布情况,特别是敏感结构中检测电容极板表面电介质的分布情况。根据检测电容极板表面电介质的分布情况,建立受到介质充电效应影响时加速度传感器敏感结构的稳态模型,分析介质充电效应对传感器输出漂移的影响,研究影响加速度传感器输出漂移量的关键参数。 3、分析输出漂移量的影响参数与检测电路参数间的关系,研究通过改变电路参数调节关键参数值,从而减小加速度传感器输出漂移量的检测电路改进方案,同时分析检测电路改进方案对加速度传感器性能的影响。 4、根据检测电路改进方案的研究结果,设计并加工相应的检测电路,通过实验测量加速度传感器产生的输出漂移。对比检测电路改进前与改进后传感器的输出漂移量,通过实验结果说明改进后的检测电路抑制传感器输出漂移的有效性。