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六轴静电悬浮微加速度计的设计及系统级仿真

作　者: 万镇
导　师: 崔峰
学　校: 上海交通大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: MEMS 微加速度计静电悬浮六自由度阻尼孔系统级仿真
分类号: TH824.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

加速度计是一种惯性测量元件,已广泛应用于航空、航天、航海、测量等领域。基于MEMS技术的静电悬浮微加速度计以其高精度、小型化、低成本等优点,引起国内外的研究重视。六轴静电悬浮微加速度计(MESA)通过检测质量块和电极之间形成的差动电容来测量线位移和角位移,并在静电力/力矩平衡回路的作用下,实现检验质量块的六自由度悬浮。它可同时测量六轴加速度(三轴线加速度和三轴角加速度),其灵敏度、刚度、量程以及带宽都可以灵活调节,非常适合于近地及空间环境应用。本论文设计了一种基于非硅MEMS制造技术的微加速度计结构,对悬浮质量块的阻尼特性和阻尼孔优化设计进行了研究,建立了电容和静电力模型,最后对加速度计工作过程进行了系统级的建模和仿真。本文的主要研究内容和成果如下:1、阐述了六轴静电悬浮微加速度计的设计结构及工作原理。建立了测量六自由度加速度的动力学模型,得到测量线性加速度和角加速度的动态方程,为高精度六轴微加速度计的设计提供了理论指导。2、对静电悬浮加速度计的阻尼特性进行了分析,设计了优化的检验质量块阻尼孔结构。计算分析了检验质量块圆形、方形阻尼孔,在不同数量(16个和25个)、尺寸和排布下组成的十二种结构的压膜阻尼系数,通过比较,得到了在同样的阻尼孔面积下,阻尼系数最小的25个方形阻尼孔的优化排布结构。3、建立了六轴静电悬浮微加速度计的电容和静电力/力矩模型。通过建模得到了加速度计各个自由度检测电极电容的解析表达式,推导了静电力/力矩的计算公式,并利用有限元分析得出的数值解进行验证。根据静电力/力矩公式进行了六自由度加速度测量的量程设计。4、六轴静电悬浮微加速度计的机电系统建模仿真。在MEMS专业设计软件CoventorWare中,构建了微加速度计的工艺级模型、物理级模型、器件级模型以及系统级模型。通过系统级模型,对静电悬浮微加速度计的起支、稳定悬浮以及输入加速度检测过程进行了仿真。表明建模仿真是微加速度计复杂系统设计的一个有效途径,可为微加工工艺及测控参数的选取提供理论依据。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-26
  1.1 微加速度计概述  11-12
  1.2 国内外研究的现状  12-19
    1.2.1 国外的研究现状  12-17
    1.2.2 国内的研究情况  17-19
  1.3 静电悬浮微加速度计的关键技术分析  19-24
    1.3.1 静电悬浮微加速度计的制作技术  19-21
    1.3.2 静电悬浮微加速度计的微位移电容检测技术  21-22
    1.3.3 静电悬浮微加速度计的设计仿真技术  22-24
  1.4 本文的研究意义和主要研究内容  24-25
  1.5 本章小结  25-26
第二章六轴静电悬浮微加速度计的结构及动力学原理  26-37
  2.1 六轴静电悬浮微加速度计的结构  26-29
  2.2 六轴加速度计的动力学原理  29-36
    2.2.1 坐标系  29-31
    2.2.2 六自由度加速度计的动态特性  31-35
      2.2.2.1 线性运动的动态方程  33-34
      2.2.2.2 角运动的动态方程  34-35
    2.2.3 六自由度加速度计动态方程分析  35-36
  2.3 本章小结  36-37
第三章六轴静电悬浮微加速度计的阻尼分析与优化  37-48
  3.1 阻尼模型  37-39
    3.1.1 空气压膜阻尼  38-39
    3.1.2 空气滑膜阻尼  39
  3.2 静电悬浮微加速度计阻尼分析  39-43
    3.2.1 理论分析  40-42
    3.2.2 有限元分析  42-43
  3.3 阻尼孔的设计  43-47
  3.4 本章小结  47-48
第四章六轴静电悬浮微加速度计的电容与静电力模型  48-68
  4.1 电容模型分析  48-52
    4.1.1 悬浮质量块的虚地电位分析  48-50
    4.1.2 微加速度计多导体系统的电荷分布仿真  50-52
  4.2 电极电容的计算公式  52-59
    4.2.1 电极电容求解  52-59
      4.2.1.1 轴向平动电容模型  52-55
      4.2.1.2 侧向平动电容模型  55-57
      4.2.1.3 轴向转动电容模型  57-58
      4.2.1.4 侧向转动电容模型  58-59
  4.3 静电力/力矩的计算公式  59-64
    4.3.1 轴向平动静电力模型  59-61
    4.3.2 侧向平动静电力模型  61-62
    4.3.3 轴向转动静电力矩模型  62-63
    4.3.4 侧向转动静电力矩模型  63-64
  4.4 六轴静电悬浮加速度计的量程设计  64-66
  4.5 本章小结  66-68
第五章静电悬浮微加速度计的系统级建模仿真  68-85
  5.1 COVENTORWARE 软件的建模方法  68-70
  5.2 静电悬浮微加速度计的工艺级和物理级建模  70-78
    5.2.1 CoventorWare 工艺级建模介绍  70-72
    5.2.2 微加速度计的工艺流程及建模  72-77
    5.2.3 微加速度计的物理级模型  77-78
  5.3 静电悬浮加速度计的器件级和系统级建模仿真  78-84
    5.3.1 微加速度计的机电模型  78-79
    5.3.2 微加速度计的系统级模型  79-80
    5.3.3 微加速度计的起支控制仿真  80-81
    5.3.4 微加速度计的稳定悬浮仿真  81-83
    5.3.5 微加速度计的输入加速度响应仿真  83-84
  5.4 本章小结  84-85
第六章总结与展望  85-88
  6.1 全文总结  85-86
  6.2 研究展望  86-88
参考文献  88-94
致谢  94-95
攻读硕士学位期间发表的论文和申请的专利  95-97

六轴静电悬浮微加速度计的设计及系统级仿真

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