单片三轴微加速度计优化设计与信号处理关键技术

【摘要】：硅微加速度计在军事及民用领域具有广阔的应用前景。三轴微加速度计可以同时检测三个轴向的加速度,并且体积小、质量轻、功耗低,可批量制造,因而迅速成为研究的热点。以本单位关于微加速度计的前期研究为基础,针对前期设计制作的单片三轴微加速度计噪声大、解算精度差、一致性差等问题,进行了一系列优化改进。主要优化的方面包括结构设计优化、工艺优化、封装结构优化,并且重新设计了解耦算法。测试结果显示,优化后的加速度计性能较优化前有较大提升。研究工作主要包括以下几个方面:1.结构分析。从材料力学理论入手,详细推导了加速度计双梁结构的力学模型。基于以上推导结果,分析了其灵敏度与各结构参数之间的关系,并以ANSYS仿真结果验证了理论推导的正确性。提出了三轴微加速度计的优化方向,为进一步优化提供了理论依据。2.工艺优化。针对前期敏感结构在加工过程中存在过腐蚀难以控制的问题,结合实验室的工艺水平以及加速度计的结构特点,设计了基于预埋掩膜的加工工艺流程,制作了微加速度计样片。测试结果显示,新的工艺可有效提高敏感结构尺寸的一致性。针对前期封装存在较大的寄生电容的问题,提出一种新的封装形式,即将芯片直接贴片于电路板上。并提出中心点支撑的贴片形式,有效降低热应力的影响,有效降低噪声和寄生电容的干扰。3.信号处理。通过编写的LabWindows上位机界面与加速度计表头进行通信,在高精度三轴转台上使用12位置法进行静态翻滚实验。使用Matlab完成最小二乘法求解超定方程,对测试数据进行解算,并得到加速度计各指标参数。测试结果显示,加速度计各项性能指标均达到预期优化目标。
【关键词】：三轴微加速度计 双梁 优化 中心支撑 最小二乘解
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH824.4