面向电容式微机电加速度计的接口噪声分析和数字闭环技术研究

优化电容检测接口并采用力反馈控制方案能够在不影响表头敏感结构的情况下,通过改变环路参数提高加速度计的信噪比,改善加速度计性能。基于一款阵列式差分电容的加速度计敏感结构,在等效电容模型的基础上,通过电容检测接口电路的搭建与输出信号的频谱分析,验证了单载波电容检测电路具有更出色的输出信噪比。后级采用STM32H743VIT6微处理器实现调幅信号的数字解调,经PI控制算法调节后作为反馈电压施加于可动极板,实现了加速度计的数字闭环控制。实测结果显示,闭环状态下加速度计的速度随机游走(VRW)为57μg/Hz1/2,与开环状态相当,而零偏稳定性则从开环状态的184μg改善至58μg,验证了单载波调制型电容检测接口和力反馈控制技术对提升加速度计静态性能的具体效果。

±16g三质量块三轴MEMS电容式加速度计的设计

微电子机械系统(MEMS)惯性传感器(如加速计、陀螺仪)具有高性能、低功耗、低成本、集成度高、可靠性高、体积小等特点。但MEMS传感器交叉串扰仍较大,影响了加速度的测量。该文设计了一个量程为±16 g的三质量块三轴MEMS电容式加速度计结构,通过对所设计的结构进行静力学分析和模态分析,保证加速度计良好的抗过载能力。仿真结果表明,该结构实现了模态分离避免了模态干扰,且交叉灵敏度均小于0.3%,有效地降低了交叉串扰。

基于MS3110电容读取芯片的MEMS加速度计

介绍了通用电容读取芯片MS3110的内部结构、基本原理及其使用方法,提出了采用单片机实现片内EEPROM编程的方法,并给出了读写控制框图。以梳齿式硅微传感器为敏感元件,采用滞后比例积分调节器,基于MS3110通用电容读取芯片设计了一种MEMS力平衡闭环加速度计。实验结果表明:设计的MEMS加速度计能够闭环正常工作并取得了一定的性能。

芯片粘接对MEMS加速度计性能影响分析

研究了一种针对微电子机械系统(MEMS)变电容间隙式加速度计芯片粘接应力对零位输出影响的分析方法。通过建立加速度计的数学解析模型,从理论上推导出了电容变化量与间隙变化量的关系式。然后对影响间隙变化量的粘接应力进行了分析,得到了影响粘接应力的因素,并选取关键影响因素(粘结胶点直径)进行仿真分析。为了验证降低加速度计零位输出随温度变化的改进思路,分别装配了0.9 mm直径胶点和1.5 mm直径胶点粘接的加速度计进行了实验。实验结果表明,改进封装方案有效,采用直径0.9 mm胶点方案使零位输出变化量降低了75%。

后退火处理对电容式MEMS微加速度计的影响

针对电容式MEMS微加速度计出现的输出值漂移问题,研究了后退火处理对封装好的电容式微加速度计的影响,选取的退火温度为110℃,退火时间为192 h。对退火后微加速度计的上电时刻零位值和上电1 h内1 g状态下的输出值进行了测量。通过对测试结果进行分析得到:退火实验可以筛选出随贮存时间零位漂移较小的样品;微加速度计输出值零位漂移的主要原因可能是芯片受F元素的影响;微加速度计输出值上电漂移的主要原因可能是芯片受O元素的影响。

厚膜混合集成MEMS电容式加速度计

设计了电容式加速度计的信号检测电路。与电容式加速度计表头进行了联调和测试。并进行了标定。为减小体积。提高电容式加速度计的检测精度，采用了厚膜混合集成技术．将检测电路和电容式加速度计集成于一体。最后进行了电路测试和性能测试。

全新MEMS DC响应加速度计3743F系列上市

2023年2月2日,PCB Piezotronics(PCB■)推出新型号3743F,扩展了“F”系列MEMS DC响应传感器,目前已有型号有3711F, 3713F和3741F。PCB公司新品3743F三轴变电容加速度计使用差分输出,实现共模噪声抑制,而且小巧并使用气密钛金属壳体。它利用变电容MEMS技术实现在宽输入电压范围5~32 V的稳定精确的测量。它在正交的3个轴(X,Y,Z)上同时测量加速度和低频振动。

基于Verilog-A的电容式MEMS加速度计模型

本文分析了传统MEMS电容式加速度计模型的不足,根据三明治结构电容式加速度计的特点,考虑了寄生电容和热机械噪声的影响,建立了用Verilog-A硬件描述语言实现的模型。该模型与主流集成电路设计环境相兼容,具有很强的可移植性。模拟验证结果表明,该模型如实反映了MEMS电容式加速度计的工作状态,能够为设计单片集成的微弱电容检测电路提供有效的帮助。

基于MEMS电容加速度计的声矢量传感器小型化设计

针对传统压电型声矢量传感器无法兼顾小体积与高灵敏度的问题,利用MEMS电容加速度计作为拾振器,实现矢量传感器的小型化设计。首先采用机电类比分析的方法得到内置加速度计的刚硬球体的声致振动响应;然后进行硅微电容加速度计选型和参数分析、设定,并设计制作了一只二维球形矢量传感器样机;最后对样机进行了参数测试,结果表明两矢量通道均具有良好的方向性,声压灵敏度分别为?185 d B和-186 d B(1 k Hz,0 d B ref 1 V/μPa),通道间相位差与理论值保持一致,验证了利用MEMS电容加速度计设计矢量传感器的可行性。

应用于MEMS加速度计的电容式检测电路设计

基于相关双采样、斩波技术以及电容自适应校准技术,设计了一种低噪声、高动态范围的全差分电容式微系统(MEMS)加速度计检测电路。在检测电路感应电容中采用电容自适应校准技术,消除电容失配,提高检测范围;在开关电容低通滤波器中加入斩波,降低滤波器噪声;控制滤波器时序,消除电荷注入引起的非线性。在5 V电源供电下,仿真结果表明:检测电路输出线性电压范围为±3 V,在0.01~300 Hz范围内,等效输出噪声为650 nV,检测动态范围高于120 dB。

电容式微加速度计的研制

以一个电容式微加速度计为设计实例来介绍了基于IP库MEMS设计的流程,其中主要包括四个部分:原理分析,结构设计,工艺流程和版图设计,封装及电路测试。首先根据需求设计出加速度计的基本结构;然后对该结构进行工艺流程和版图的设计;并利用虚拟工艺来进行仿真和可加工性验证;得到的三维结构通过接口导出到FEM中进行数值分析;接着将数值分析的结果进行基于FEM的运动学建模;求解得到的运动规律,以宏模型的形式存入IP库中;与此同时,利用虚拟运行进行可视化行为级的仿真。

闭环电容式微加速度计全差分CMOS接口电路

提出了一种用于电容式微加速度计的低噪声、高线性度全差分接口电路。基于开关电容检测技术,该电路采用一种新的双路反馈结构来提高系统线性度,并采用2μmn阱CMOS工艺完成芯片设计。仿真结果证明,电路中采用的双路反馈和全差分检测结构使系统的线性度达到0.01%。加入经过优化设计的比例-微分-积分控制器后,有效减小了系统稳态误差,系统响应速度提高了31%,系统线性度提高了66.7%。在±5 V工作电压下,选取64 kHz作为电路采样频率时,其电路等效输入噪声为8μg·Hz-1/2,系统灵敏度为1.22 V/g,线性度为0.03%,测量范围为±2g。测试结果显示,提出的电路达到高精度微加速度计系统设计要求,可以应用到地震监测、石油勘探等领域中。

改进的电容式微加速度计中电路噪声模型

为了在加速度传感器设计中准确预测系统电路噪声,优化电路设计参数,建立了改进的电容式微加速度计中的电路噪声模型.详细分析了电荷积分器中的运算放大器噪声、开关热噪声、驱动信号参考电压、寄生电容电阻对系统噪声的影响,分析了相关双采样对热噪声和1/f噪声的影响,建立了微加速度计系统的输入参考噪声公式,所建立的电路噪声模型对各个电路噪声源进行综合考虑,没有忽略噪声源间的相互影响.仿真和测试结果表明:所建立的电路噪声模型能够准确的预测噪声水平,且开关热噪声在高精度微加速度计中严重影响着系统噪声水平.

侵彻武器用MEMS大g值加速度计

侵彻武器穿入地面等坚硬物质的加速度可达重力加速度的2万倍至几十万倍,要求所用加速度传感器既能抗击该工作环境,又能识别冲击与钻入的整个过程。美国侵彻武器用MEMS大g值加速度计属电容传感器,其工作原理采用2个电参数完全相同的电容,1个作检测电容,1个作参考电容,将被测加速度值的变化转换成电容量的变化而实现。该加速度计由结构单元和信号处理电路组成。实验结果表明,尚需对2组成部分进一步集成,对机械静电阻尼进行优化,对封装深入研究。

电容式微加速度计的噪声特性

电容式微加速度计的噪声包括机械热噪声和电热噪声 ;主要分析了机械热噪声在开环系统和闭环系统中的噪声特性以及开环系统和闭环系统检测的动态范围 ,提出电容式微加速度计的噪声主要由机械热噪声的大小决定 ;同时 。

电容式微加速度计的刻度温漂的半解析模型

针对电容式微加速度计的刻度温漂,根据微加速度计的检测原理及热变形的分析结果,建立了刻度温漂的半解析模型,并在此基础上分析了刻度温漂的主要影响因素。分析结果表明,刻度温漂由两部分组成,第一部分主要由单晶硅的弹性模量的温度系数决定,可以通过高掺杂降低;第二部分由微加速度计的热变形引起,它的大小与封装胶的弹性模量、梳齿的宽度、大电容间隙与小电容间隙的比值以及固定梳齿锚点的位置相关;第一部分和第二部分分别是正数和负数,因此相互补偿。基于MEMS体硅微加工工艺,制造了微加速度计的实验样品,刻度温漂的测量结果验证了理论分析结果的正确性。

电容式微加速度计开环模式的非线性模型

针对当前电容式微加速度计量程不高、开环模式非线性误差大的特点,根据力学理论和电路读出原理,并基于非线性特性中最大可测量加速度、初始工作点和吸合点与动定电极间距d的变化规律,提出了电容式微加速度计非线性模型.模型指出,随着输出电压的增加,可测量加速度近似成线性增加,在靠近最大可测量加速度αmax时斜率增大,其后随输出电压的增加而减小至吸合点;αmax由d和微结构梁弹性常数与质量之比λ决定,且d的作用优于λ;d在小于初始工作点时加速度计不能工作,该点由传感头参数η决定,且η的最佳取值范围为1×1019～2×1019,此时准静态条件下吸合点大于整个动电极行程的95%.该模型的提出对开环式加速度计的非线性误差纠正提供了理论支持,对加速度计的结构设计具有参考价值.

一种电容式微加速度计标度因数温漂抑制方法

电容式硅微机械加速度计作为一种惯性传感器件广泛运用于导航系统,但其温度特性较差,制约其综合性能的提高。为进一步提高闭环电容式微机械加速度计的标度因数稳定性,针对标度因数的温度漂移问题,提出了一种标度因数温漂抑制方法。通过调节预载电压来抑制标度因数温度漂移,根据测温电路输出对预载电压进行调节。实验结果表明,在-30℃~60℃的温度范围内,加速度计的标度因数温度系数由补偿前的213.7′10^(-6)/℃降低至42.7′10^(-6)/℃。所提出的抑制方法使标度因数温度性能得以显著提高。

侵彻武器用MEMS大G值加速度计

侵彻武器用大G值加速度计，不仅需要有较宽的加速度测量范围，还有较强的抗冲击能力。介绍利用MEMS技术研制出的可满足侵彻武器应用需求的集成大G值加速度计，通过分析工作原理、机械结构、信号处理线路的设计，针对实验结果提出了在实际工程应用中还需进一步解决的问题。

差分式微电容加速度计的数学模型及应用

介绍了一种基于MEMS和表面微加工工艺的差分式微电容加速度计,并通过分析,构建了该加速度计的数学模型,并简要介绍了该加速度计的一些简单应用.