微机械电容式加速度计检测电路设计

通过对MEMS电容式加速度计的差分电容检测电路优缺点的比较,结合直流充放电检测方法和交流测量方法的优点,设计了微分检测电路,用方波作为载波。该电路由方波信号发生器、微分电路、全波整流电路和滤波电路组成。经试验验证:可检测到10-16F的差分电容,且其非线性度小于±1%FS,可作为MEMS电容式加速度计的后续处理电路。     

一种低噪声MEMS加速度计设计与制作

为了提高微加速度计的噪声性能,研究了一种基于绝缘体上硅(SOI)技术的单轴MEMS加速度计的设计和加工方案。该微加速度计采用大面积质量块的电容式检测结构,通过增加检测质量,在保证灵敏度的前提下,有效地降低了微加速度计的机械布朗噪声,增强了信噪比。另外,该微加速度计采用一种基于Al保护层的MEMS SOI工艺技术制造,有利于提高微加速度计的整体精度水平。测试结果表明:微加速度计的本底噪声为20μgn/√Hz,灵敏度为2.5 V/gn。     

微机械电容式加速度计读出电路研究与设计

为了提高电容式MEMS加速度计测量精度,设计了一种应用于MEMS加速度计微弱信号读出电路。读出电路由T型阻容网络放大电路、模拟开关解调电路和四阶带通滤波电路组成,通过Multisim软件仿真分析各模块电路原理并确定影响读出电路的主要因素,进一步优化确定元器件最佳参数,最后制作出PCB电路板并开展实验测试,实验结果表明微弱信号检测准确率达90%以上,能很好满足电容式MEMS加速度计微弱信号检测要求,同时该读出电路具有尺寸小、易调节、易于ASIC集成等特点,在微机械仪表的微小电容检测中有较高的实用价值。     

基于MEMS技术的微电容式加速度传感器的设计

给出了一种基于MEMS技术制作的微电容式加速度传感器的结构及工艺。为了准确地把握这种微电容式加速度传感器的力学和电学特性,仔细地建立了它的力学模型。在此基础上,详细分析了它的动态特性———模态。并用有限元的方法分析和计算了微电容式加速度传感器的加速度与电容信号的非线性输入输出关系,并结合实测参数验证了模型的有效性。最后提出了一种详细的有效的基于MEMS技术的微电容式加速度传感器的结构以及加工工艺流程。基于MEMS技术制作的微电容式加速度传感器具有结构简单、工作可靠和工作范围大的特点。根据这套方法,可以比较方便地设计并加工不同测量要求的加速度计。     

基于有限元法的MEMS加速度计热应力分析

残余应力对MEMS器件的力学性能、可靠性和寿命都有较大的影响。基于MEMS电容式加速度计,采用热结构耦合场分析方法,对热应力的影响进行了仿真分析,并和实验结果进行比较。结果表明热应力不是影响器件性能的主要因素,而仿真模型中未考虑到的一些物理因素和工艺误差则可能是主要因素。针对课题组加速度计的制备过程从工艺的角度提出了相应的改进措施,为加速度计温度补偿模型的完善以及改版设计提供参考。     

三维MEMS加速度计的性能测试方法与分析

文章针对一种三维MEMS加速度计,提出了三维加速度计的测试方法,并根据测试结果对此加速度计进行了性能分析。通过对其设计原理和内部结构的描述,指出该型MEMS加速度计的结构优点及性能特点。针对该加速度计,作者设计了测试装置,制作了测试电路,并在文章中详细描述了测试原理及整个测试过程。分别在三个方向上,对此三维MEMS加速度计进行了多次对比测试,同时采集包括标准加速度计输出和MEMS加速度计三向输出在内的四路信号,以便进行冲击方向上两加速度计的横向对比和三向MEMS加速度计的轴间耦合分析。测试结果表明,此测试方法和装置是可靠有效的,且具有一定的通用性可用于其它类似传感器的测试分析中。     

电容式硅微加速度计在小型飞行器上的应用

低成本传感器的应用是小型飞行器迅速发展的现实要求,将MEMS传感器技术结合飞行器应用是一个全新的前沿发展方向;对电容式硅微加速度计在小型飞行器上的应用进行了研究,提出此类加速度计存在输出不完全的问题,创新性的给出重力补偿解决方法;通过分析加速度计的误差,并做静态实验以修正,推导了加速度计的工作函数;最后由振动实验,证明在小机动飞行状况下,电容式硅微加速度计能够满足小型飞行器的控制要求.     

振动环境下MEMS加速度计的可靠性评估

在MEMS加速度计加速寿命试验及加速性能退化试验研究的基础上,对MEMS加速度计在振动环境下的可靠性技术进行了研究.通过理论分析MEMS加速度计在振动环境下的失效模式和失效机理,结合具体的试验条件设计了加速度计加速寿命试验及加速性能退化试验方案,并对MEMS加速度计在振动环境下的失效数据分别进行了加速寿命可靠性评估及加速性能退化可靠性评估.研究表明,两种评估方法得到的评估结果基本一致;加速性能退化评估方法适用于MEMS加速度计在振动环境中的可靠性研究,且该方法简捷、正确可行、节省试验费用,为MEMS加速度计在实际应用中提供了重要的参考依据.     

微机电加速度计的六位置标定

加速度计是惯性导航系统测量载体加速度和影响惯性导航系统精度的主要元器件.为提高惯性导航系统的精度,在使用加速度计以前需要进行加速度计的标定测试[1].主要介绍了微机电(Micro Electro Mechanical Systems,简称MEMS)加速度计的六位置标定法,以便从MEMS加速度计的误差模型中分离出MEMS加速度计的各项标定参数.这些参数包括MEMS加速度计的标度因数、零位漂移以及安装误差系数.并且在得到MEMS加速度计的各项标定参数后将其封装在C函数中进行了验证实验.实验结果表明MEMS加速度计的六位置标定法的原理简单并且在工程应用中容易实现,所得到的MEMS加速度计的输出不但反映了MEMS加速度计的实际输出,而且使MEMS加速度计的线性度得到改善.     

MEMS加速度计噪声分析与降噪方法研究

针对微机电系统(MEMS)加速度计的随机噪声对输出信号干扰的情况,提出了对加速度计噪声源及噪声类型进行辨识、估计与建模,并确定误差补偿的降噪方法,以提高加速度计精度.采用Allan方差分析法对MEMS加速度计的随机噪声进行分析,得到了影响MEMS加速度计性能的几种主要随机噪声,使用自回归滑动平均模型(ARMA)对加速度计输出数据进行数学建模,以最终预测误差(FPE)准则确定使用的模型与阶次.设计了Kalman滤波算法,对加速度计进行降噪,通过Allan方差方法对Kalman算法滤波效果进行分析.实验结果表明:Kalman滤波能有效降低加速度计的随机噪声.     

一种测定粮食水份含量传感器的设计

根据电容传感器的工作原理,建立了电容传感器的模型,得出粮食水份含量与电容的关系,对电容传感器硬件电路进行设计,并在粮食着水机械上得到了成功应用。     

Numerical simulation and analysis of electrically actuated microbeam-based MEMS capacitive switch

The MEMS capacitive switch based on fixed-fixed microbeam has garnered significant attention due to their geometric simplicity and broad applicability. The accurate model which describes the multiphysical coupled-field of MEMS capacitive switch should be developed to predict their electromechanical behaviors. The improved macromodel of the fixed-fixed microbeam-based MEMS capacitive switch is presented to investigate the behavior of electrically actuated MEMS capacitive switch in this paper, the macromodel provides an effective and accurate design tool for this class of MEMS devices because of taking account into some effects simultaneously including fringing field effect, midplane stretching effect, residual stress and multiphysical coupled-field effect. The numerical analysis of mechanical characterizations of electrically actuated microbeam-based MEMS capacitive switch are performed by the finite element Newmark method, and the performances of static and dynamic of MEMS capacitive switch are obtained. The numerical results show that, with only a few nodes used in the computation, the FEM-Newmark gives the identical results to other numerical methods, such as the shooting method and experiments. Moreover, the proposed model can offer proper and convenient approach for numerical calculations, and promote design of MEMS devices.     

基于边缘效应的圆环式电容传感器电场仿真分析

介绍了圆环式电容传感器的工作原理,即电容边缘效应,通过Hybrid-Trefftz算法建立了有限元模型,利用有限元软件ANSYS对不同传感器模型进行了电场分析与仿真计算,得出了最优结构组合,并以最优结构组合为例,给出了介电常数与电场强度的关系。仿真结果表明:圆环式电容传感器设计中,影响传感器测量性能的最直接和最重要的2个参数是两极板间距和极板长度;被测介质的介电常数越小,电场强度就越大。该仿真对后续产品的设计具有很好的理论指导作用。     

单极板微位移电容传感器结构设计与优化

根据单极板微位移电容传感器结构优化设计的问题,提出了一种基于纵横推进法的电磁场仿真参数化建模方法。在建立合理的单极板电容传感器电磁仿真参数模型基础上,首先通过仿真实验选择保护环和绝缘层缺口的最优值。然后依据仿真得到的最优值,选择结构与最优值接近的电容传感器产品对比,取得了较好的研究结果,电容仿真值与实际测量值误差小于0.3%。最后对电容传感器极板倾斜对测量结果的影响进行了研究,极板倾斜2°时测量误差为1.6%。电容传感器结构优化结果满足实际工程要求。     

Electromechanical modeling and simulation by the Euler–Lagrange method of a MEMS inertial sensor using a FGMOS as a transducer

In this paper, the electromechanical modeling of a differential capacitive sensor interconnected with a floating-gate MOS (FGMOS) transistor is shown; the model was obtained using the Euler–Lagrange theory to analyze this particular physical system used as an inertial sensor. A design methodology is also shown relating all the physical parameters involved, such as: stiffness, damping associated with the capacitive structure, parasitic capacitances present in the transistor, and the maximum operating voltages to avoid pull-in effect. Cases for symmetric and non symmetric differential capacitance comb arrays are analyzed. A model comparison between conventional mass–spring–damper mechanical systems to a specific electromechanical system for capacitive sensor with its associated readout electronics is shown.     

微谐振传感器同频干扰的建模与消除

主要研究了静电激励/电容拾振谐振式硅微加速度传感器的同频干扰问题,分析了几种干扰源,建立了同频干扰的电路等效模型,提出一种基于双端激励/双端检测的结构,采用二次差分的方式消除同频干扰.     

Active gap reduction in comb drive of three axes capacitive micro accelerometer for enhancing sense capacitance and sensitivity

The performance of micro-machined sensors is primarily determined via the sensitivity of sensing electrode to displacement. This paper presents the design, modelling, optimization and fabrication of an active gap reduction mechanism used on a conventional comb drive to enhance the capacitance in a three axes capacitive micro accelerometer. The design parameters of the active gap reduced comb drive (AGRCD) are optimized for best performance. The finite element analysis of the AGRCD is performed for design verification. The modeling and simulation results demonstrated a 534 % increase in sensitivity of the three axes capacitive micro accelerometer. The three axes capacitive micro accelerometer with AGRCD is fabricated using a commercially available standard metal-multi user MEMS processes.     

一种电容型位置传感器的设计和应用

本文介绍了电容型位置传感器的设计开发,通过与传统位置检测传感器以及其它相关传慼器的结构和特性的对比,突出了电容型位置传感器的优势一成本低、结构紧凑.在详细分析了电容型位置传感器的结构和检测原理的基础之上,详细介绍了如何设计关键部件PCB的开孔印制线条以及小球的选择.同时基于对该技术的扩展,又介绍了可衍生出的连续位置传感器和加速度传感器.最后结合电容检测芯片MLX90711,介绍了其在小家电领域一飞利浦智能电熨斗中的应用实例.     

集成电容式传感器的理论模型研究

研究一种与CMOS工艺兼容的梳状电极结构电容式传感器,对其敏感电容的变化量进行理论推导,建立了一种简单的解析模型,并使用Ansys软件仿真验证。利用该解析模型能够直观的分析各种参数变化对敏感电容变化量的影响,对芯片设计、制作及测试等具有参考意义。     

An improved analytical model for static pull-in voltage of a flexured MEMS switch

Microsystem Technologies - This paper presents the design of low-k meander based MEMS shunt capacitive switch with beam perforations. A closed form model to accurately calculate the pull-in voltage...