一种分时差分的频率调制MEMS加速度计

为提升MEMS加速度计温度适应性,设计了频率调制和分时差分方法。基于静电刚度效应,将敏感质量块因加速度产生的位移变化调制成谐振频率的变化,兼顾了位移检测的温度系数较低与谐振频率检测不易受电路噪声干扰的优点,且采用单个谐振器在时间上通过刚度切换进行分时差分,从而降低零偏随温度的漂移。通过实验测得,在10 V调谐电压下,加速度计室温下的零偏稳定性为76.79μg。-40℃~60℃全温范围内经过分时差分后得到的频差全温变化量为-0.072 Hz,相较于单个刚度状态下的谐振频率变化约7.7 Hz,减小了约99%,验证了静电刚度频率调制和分时差分的有效性。

静电刚度谐振式微加速度计及其接口电路分析

根据静电加载在平板电容器上产生等效静电负刚度原理,分析了基于静电刚度的谐振式微加速度计的敏感过程。针对有效信号检测中存在的同频干扰问题,建立了接口电路的等效模型,并根据干扰源提出在信号处理电路采用方波调制、开关解调的抑制方法。仿真和实验表明制造的加速度计检测端静态电容约为0.4pF,实验条件下变化的检测电容为3.1fF,干扰耦合电容约为0.04pF。频率调制解调方法实现了加速度计振动信号的拾取,在真空封装下品质因数约为1400,谐振频率为35.476 kHz。

加速度计模拟输出的Σ-Δ压频转换新方法

设计了一种基于Σ-Δ调制器技术的新型电压-频率转换器,用于将微加速度计的模拟电压信号转换为相应的频率输出信号.该电路采用中国电子科技集团24所的4μm P阱标准CMOS工艺参数进行模拟仿真.在10 V电源电压下,时钟频率为1.04 MHz,其输入电压范围为1.5 V^8.5 V,输出频率范围为40 kHz^533 kHz,转换灵敏度约为134 kHz/V,非线性度不大于0.08%.仿真结果证明,其对于恒定输入电压具有稳定的输出频率以及正负两种转换特性,因此可广泛应用于加速度计等矢量传感器的模数转换接口电路.

一种硅微谐振式加速度计频率读出方法与ASIC实现

针对硅微谐振式加速度计(SRA),提出了一种低噪声、低功耗、可集成的频率读出电路。频率读出电路主要基于Σ-Δ原理,实现了对量化噪声的调制与抑制,在0.1 Hz频率下实现了0.1Mhz/√Hz的频率测量水平。同时,专用集成电路(ASIC)实现了对加速度测量中频率非线性的补偿,实现了在质量块正弦调制谐振梁情况下频率的零均值变化,解决了冲击和振动环境中非线性导致的加速度偏移问题。最后,ASIC以0.35μm CMOS工艺实现,并与前端模拟振荡电路集成,构成了完整的SRA单芯片测控系统。

硅微谐振式加速度计的谐振器非线性振动调节与抑制方法

在高精度微型惯性制导系统的应用中,基于MEMS工艺制造的硅微谐振式加速度计(SRA)由于其较大的线性量程和较低的控制环路噪声,更容易实现高精度,逐渐成为研究热点。研究发现,SRA高Q值设计的特点使得谐振器极易受到非线性振动的影响,进一步产生幅频耦合效应导致SRA的幅度噪声耦合到频率输出噪声,恶化SRA的零偏不稳定性,因此在设计时应尽量避免谐振器非线性振动的干扰。分别从驱动力控制和谐振器的结构设计两个方面对谐振器非线性振动进行了理论分析,在此基础上提出特定Q值与结构下改变谐振器边界条件的方法,将非线性刚度降低为原来的41%,线性振动的最大振幅提升为原来的2.6倍。最后设计实验验证了谐振器的非线性刚度和幅频响应,理论模型与实验值误差小于15%。

基于∑-△M的五阶MFLR数字微加速度计闭环控制系统

为了进一步抑制加速度计信号带宽范围内的噪声,提出并设计了一种基于∑-△M的五阶多反馈谐振式（MFLR）微机械加速度计闭环控制系统,该系统通过增加额外的内部负反馈对量化噪声进行再一次整形.微机械加速度计结构为一种全差分式结构,在结构层厚度为60 μm、基底层厚度为400μm的SOI硅片上,经过光刻、溅射、深度反应离子刻蚀等工艺步骤加工而成.整个闭环控制系统的Matlab/Simulink模型首先被建立,然后采用“单位圆分析法”进行系统参数的设定,系统仿真显示：当输入幅值1gn、频率128Hz的加速度信号时,加速度计的噪声为-136.2 dB,与传统五阶MF结构的∑-△M闭环控制系统相比,在0 ～500 Hz信号带宽范围内的噪声降低了7.9dB.最后整个系统在四层PCB电路板上进行了功能性验证和测试.

用于加速度计接口电路的新型Σ-Δ电压-频率转换器的设计(英文)

设计了一种基于Σ-Δ调制器技术的新型电压．频率转换器，可用于加速度计接口电路将模拟电压信号转换成相应的频率输出信号，且其对于恒定输入电压具有稳定的输出频率，具有正负两种转换特性．采用中国电子科技集团二十四所的4μm P阱标准CMOS工艺参数对电路进行了模拟仿真．在10V电源电压下，其时钟频率为1．04MHz，输入电压范围为1．5—8．5V，输出频率范围为40-533kHz，转换灵敏度约为134kHz/V，非线性度小于0．08％．仿真结果表明，其可广泛应用于矢量传感器的模数转换接口电路．

静电负刚度调谐加速度计的力平衡闭环检测控制方法

静电负刚度调谐加速度计(EFMA)在设计原理上具有兼顾电容式加速度计和谐振式加速度计相关优点的潜力。然而由于静电刚度对应的极板位移具有明显的非线性效应,使得EFMA在大量程应用中标度因数非线性较差,成为了当前制约EFMA量程提升的重要因素。基于EFMA频率输出的特点,推导了力平衡控制量并开展了力平衡控制环路的设计与研究;结合EFMA敏感器件完成实验室样机的调试与性能测试,对比了有、无力平衡闭环检测电路的量程与标度因数非线性,在保证EFMA零偏稳定性、标度因数稳定性不受影响的情况下将其标度因数从5 Hz/g提升到了24.5 Hz/g,量程从±1 g提升到了±25 g,结果验证了基于频率检测的力平衡闭环检测控制方法的可行性和优越性。