發(fā)布時(shí)間：2020-03-20 02:04

【摘要】：微加速度計(jì)作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的重要傳感器,其中10-6-10-9g量級(jí)的微型高精度大動(dòng)態(tài)范圍加速度計(jì)更是先進(jìn)軍事與國防創(chuàng)新研究的熱點(diǎn)。近年來國外的加速度計(jì)技術(shù)發(fā)展很快,但是國內(nèi)在技術(shù)上尚未有明顯突破,仍沿用傳統(tǒng)的壓電、電容技術(shù)等,應(yīng)用級(jí)產(chǎn)品的精度大體上處于10-4-10-5g的水平,測量精度不高,同時(shí)動(dòng)態(tài)范圍較小。因此,研制出高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍的加速度計(jì),對(duì)于提升我國慣導(dǎo)技術(shù)水平具有重要意義。目前,為了進(jìn)一步提高加速度計(jì)的靈敏度,新型MEMS加速度計(jì)成為了一個(gè)重要研究方向,本文針對(duì)三種新型MEMS加速度計(jì)開展了設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作,并提出了一種MEMS加速度計(jì)柔性自由梁優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。此外,針對(duì)加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍,本文研究了 MEMS加速度計(jì)的閉環(huán)控制系統(tǒng),提出一種MEMS加速度計(jì)機(jī)械、電路閉環(huán)系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化方法�，F(xiàn)將本文的主要工作內(nèi)容歸納如下:針對(duì)加速度計(jì)的靈敏度,本文研究了通過改進(jìn)探測方式來提升靈敏度,提出了基于伍德異常的亞波長光柵MEMS加速度計(jì)的分析和設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)方法的提出彌補(bǔ)了此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論空白,MEMS加速度計(jì)的靈敏度經(jīng)過優(yōu)化后上升了 41%。本文給出了該結(jié)構(gòu)在常用波長下最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì),詳細(xì)分析了各個(gè)參數(shù)對(duì)于器件性能的影響。通過蒙特卡洛分析,為后續(xù)的加工和設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。在第一部分工作基礎(chǔ)上,本文創(chuàng)新性地發(fā)現(xiàn)了一種“脈沖式”特殊伍德異�，F(xiàn)象,并設(shè)計(jì)、優(yōu)化了基于該新現(xiàn)象的亞波長光柵MEMS加速度計(jì)。在該現(xiàn)象中,光信號(hào)相對(duì)于位移的變化率提升了 8倍之多,因而基于該現(xiàn)象的MEMS加速度計(jì)的靈敏度也得到了 8倍的提升,本文將其命名為“脈沖式”特殊伍德異�，F(xiàn)象。通過時(shí)域有限差分法和嚴(yán)格耦合波分析理論兩種計(jì)算方法對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了驗(yàn)證,提出了兩種設(shè)計(jì)和優(yōu)化的方法。給出了基于該現(xiàn)象的MEMS加速度計(jì)的參數(shù)分析,以及常用波長下該器件的最優(yōu)參數(shù)值,通過蒙特卡洛分析,研究了加工誤差對(duì)該器件性能的影響。除了通過改進(jìn)探測方式來提升靈敏度外,本文研究了通過改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)來提升靈敏度,創(chuàng)新性地將柔性自由梁結(jié)構(gòu)引入了機(jī)械放大MEMS加速度計(jì)中。該柔性自由梁使得加速度計(jì)的靈敏度都得到了大幅度的提升,并解決了機(jī)械放大MEMS加速度計(jì)的機(jī)械放大率和梁剛度之間的矛盾問題。本文針對(duì)MEMS柔性自由梁結(jié)構(gòu)開發(fā)了一種快速優(yōu)化的軟件,為MEMS柔性自由梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開辟了一種不同于復(fù)雜理論計(jì)算的新方法,大大豐富了 MEMS器件結(jié)構(gòu)的多樣性。針對(duì)MEMS加速度計(jì)對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍的要求,本文創(chuàng)新性地研究了 MEMS傳感器的機(jī)械、電路閉環(huán)系統(tǒng)級(jí)聯(lián)合仿真及優(yōu)化技術(shù)。該技術(shù)在提升加速度計(jì)的靈敏度的同時(shí),增大了器件的動(dòng)態(tài)范圍,解決了 MEMS設(shè)計(jì)中,機(jī)械和電路分開設(shè)計(jì)的難題,實(shí)現(xiàn)MEMS機(jī)械設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),大大縮短了 MEMS設(shè)計(jì)周期。并在該技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了 一套優(yōu)化軟件,以引入柔性自由梁結(jié)構(gòu)的機(jī)械放大MEMS加速度計(jì)EMΣAM(Electronic Mechanical Sigma Delta Modulator)閉環(huán)控制技術(shù)為研究對(duì)象,驗(yàn)證了該軟件的功能,真正實(shí)現(xiàn)MEMS加速度計(jì)機(jī)械、電路一體化設(shè)計(jì)。
【圖文】：

各樣的加速度計(jì)。按照不同的系統(tǒng)控制方式、檢測加速度方式、加工方式、工作方式、質(zhì)逡逑量塊懸浮方式等，加速度計(jì)有著多種分類方式。按照系統(tǒng)控制方式可以分為開環(huán)加速度計(jì)逡逑和閉環(huán)加速度計(jì)，如圖１．１所示。按照檢測加速度的方式可以分為，壓阻式加速度計(jì)、壓逡逑電式加速度計(jì)、基于隧道效應(yīng)的加速度計(jì)、電容式加速度計(jì)、熱敏式加速度計(jì)、電感式加逡逑速度計(jì)、光學(xué)加速度計(jì)等。按照加工方式可以分為，體硅微加工加速度計(jì)和表面微加工加逡逑速度計(jì)。按照工作方式可以分為，諧振式加速度計(jì)和非諧振式加速度計(jì)。按照動(dòng)態(tài)范圍來逡逑分類可以分為，低ｇ加速度計(jì)（低動(dòng)態(tài)范圍）和高ｇ加速度計(jì)（大動(dòng)態(tài)范圍）。按照質(zhì)量逡逑塊的支撐方式可以分為，磁懸浮式加速度計(jì)、靜電懸浮式加速度計(jì)、氣浮式加速度計(jì)、滾逡逑珠軸承式加速度計(jì)、寶石軸承式加速度計(jì)、液浮式加速度計(jì)、機(jī)械懸臂梁支撐式加速度計(jì)。逡逑按照導(dǎo)航級(jí)別可分為，自主導(dǎo)航級(jí)加速度計(jì)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)加速度計(jì)、慣性導(dǎo)航級(jí)加速度計(jì)，，如逡逑表１所示。逡逑Ｓ邐＾逡逑加＿邐敏感質(zhì)量塊邐信號(hào)傳Ｓ邐倍號(hào)處理電路ｉ邋￥逡逑１邐１逡逑（ａ）逡逑加邐敏感？位塊…一信９

由于隧道效應(yīng)可以感知原子級(jí)別的位移大小，所以隧道電流式ＭＥＭＳ加速度計(jì)有超高的逡逑靈敏度，一般用于高精度重力梯度檢測。逡逑－般隧道電流式ＭＥＭＳ加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖１．６所示［２｜１，由于這種基于w嚨佬в﹀義系募鈾俁燃葡咝遠(yuǎn)冉喜�，以掗撹要加入反馈系统，涝~迪侄棧房刂�，磦蝤札e蟾美嗉渝義纖俁燃頻奶講夥段�；同时灾u柿靠櫚納媳礱嬉肓艘歡緣緙�，用来对w嚨撈秸虢諧跏煎義系男Ｕ�。隧祿平諝钀离拣偍常通过镀靳]捶樂寡躉托偽�，探諙V倜隙淌欽飫嗉鈾俁燃棋義獻(xiàn)畬蟮娜鋇悖保梗梗的輳剩校躺杓屏隋逡恢炙航峁溝乃淼賴緦魘劍停牛停蛹鈾俁燃疲保罰�，妇捔x掀骷ü傻緶芳庸ぜ際趵醇庸ぃ梢允迪鐘牒篤詿械緶芳苫納杓�，进一步缩小辶x狹蘇逍酒某嘰紓繽跡保鄧盡ｅ義希靛義

本文編號(hào)：2591072