高精度电容式微机械加速度计零点偏置与温度特性的研究

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微机电系统是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术。硅微加速度传感器作为微机械器件中的一个重要分支,具有响应快、灵敏度高、精度高、小型化、应用性广、能耗低等优点,目前已受到国内外广泛关注。零点偏置是衡量微加速度计动态特性的重要指标,其受到电容检测电路和敏感元件结构两部分的影响。温度是影响微加速度计的主要环境因素,降低系统温漂有利于提高微加速度计的检测精度和稳定性,扩大微加速度计的应用范围。本论文以零点偏置和温漂为出发点对电容式微机械加速度计进行研究。利用静电力的作用来减小系统的零偏,优化了系统的其他性能。同时设计了基于MEMS寄生电阻的温度补偿方案,降低了系统的温漂。本论文的主要创新性工作及成果包括以下三个方面:(1)对调制型电容式微机械加速度计系统中的主要零偏来源进行了分析,其中主要包括检测电路的不对称性、解调方法以及敏感元件的初始电容差等。(2)设计了基于静电力的初始电容补偿方案,以减小敏感元件的初始电容差。测试结果表明,经过静电力补偿之后,系统的零偏稳定性由0.2617mg降低到了0.2333mg,零偏温度灵敏度从0.4175mg/℃减小到0.3094mg/℃,零偏重复性由2.7197mg减小到了1.8727mg。(3)设计了一种基于MEMS寄生电阻的温度补偿方案,该方案不需要额外的补偿电路,减小了电路的面积。测试结果表明,基于静电力补偿的加速度计系统在经过温度补偿之后,系统的零偏稳定性由0.2333mg降低到了0.1423mg,零偏温度灵敏度从0.3094mg/℃减小到0.1202mg/℃。
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