MEMS电容式传感器的批量标定方法研究

【摘要】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。
【作者】楼进峰；
【导师】董林玺；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电路与系统，2014，硕士
【关键词】MEMS电容式传感器；批量标定；自标定；边缘效应；梳齿倾斜效应；

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