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1、毕 业 设 计电容式加速度计的电路设计系 别： 专 业： 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 职称： 年 月 日电容式加速度计的电路设计摘要20世纪80年代，随着微电子技术、半导体集成电路工艺的日益完善，人们开始把IC制造技术引用于精密机械制造，出现了微机械、微型传感器、微型执行器等微机械制造技术。微机械电容式加速度计是人们广为关注、竞相开发的一种微型加速度计。其中，加速度计的类型有压阻式、压电式和电容式等多种。其中，电容式加速度计具有测量精度高、温度效应等优点。随着MEMS(Micro Electro Mechanical Sys-tem)技术的发展，采用静电力驱动、电容变化检测位移
2、的电容式MEMS加速度计因具有结构简单、动态响应快、分辨率高、温漂低等优点，应用越来越广泛。采用闭环差动结构的电容式加速度计可进一步提高灵敏度，减小非线性误差是目前实现高性能加速度计的一个有效途径。电容式加速度计为一种重要的惯性器件，在汽车、消费电子、惯性制导等方面有广泛的应用前景。性能指标的提高一直是微机械加速度计领域的重要研究方向。其中，检测电路的性能对加速度计整体性能也起着日益重要的决定作用。本文主要针对电容式加速度计的噪声以及闭环检测电路和自动校零技术等作为主要的分析方向，这对于电容式加速度计的工程化和未来的发展方向具有一定的参考意义。论文的研究方向：（1） 机械加速度计的分类。有压电
3、式、压阻式、电容式等。（2） 电容式加速度的噪声分析。（3） 电容式加速度计的闭环检测电路分析。（4） 电容式加速度计的自动校零技术分析。 关键词：电容式加速度计；分辨率；惯性器件；噪声；自动校零CAPACITIVE ACCELEROMETER CIRCUIT DESIGNABSTRACTNineteen eighties， with microelectronic technology， semiconductor integrated circuit technology is increasingly perfect， people began to use IC manufacturi
4、ng technology used in precision machinery manufacturing， appeared a micromechanical， miniature sensors， micro actuators and other micro machinery manufacturing technology. Micro mechanical capacitive accelerometer is widely concerned， competing in the development of a kind of micro accelerometer. Am
5、ong them， the accelerometer of the type having piezoresistive， piezoelectric transformer and capacitor etc. Wherein， capacitive accelerometer has high measurement precision， temperature effect and other advantages. With the MEMS ( Micro Electro Mechanical Sys-tem ) technology development， using the
6、static electric power driving， capacitance change detection displacement capacitive accelerometer MEMS because of its simple structure， quick dynamic response， high resolution， low temperature drift， is applied more and more extensively. Using a closed-loop differential capacitive accelerometer can
7、further improve the sensitivity， reduced nonlinear error is present to realize high performance accelerometer in an effective way. Capacitive accelerometer is a kind of important inertial device， in the automotive， consumer electronics， inertial guidance has extensive application prospects. Performa
8、nce improvement of MEMS accelerometer has been is an important research direction in the field. Among them， detecting circuit for accelerometer performance overall performance also plays an increasingly important role in the decision.Research direction:(1) the classification of mechanical accelerome
9、ter. A piezoelectric type， pressure resistance type， capacitance type.(2) a capacitive acceleration noise analysis.(3) capacitive accelerometer s detection circuit analysis.(4) capacitive accelerometer auto zero calibration technology analysis.Key words: capacitive accelerometer; resolution; inertia
10、l device; noise; automatic zero adjustment目录1 绪论11.1 机械加速度计的基本原理11.1.1 加速度计的性能指标21.2 加速度计的分类31.2.1 电容式加速度计31.2.2 压电式加速度计41.2.3 压阻式加速度计51.2.4 隧道式加速度计51.3 应用62 电容式加速度计的噪声分析62.1.1 基本组成72.1.2 工作原理82.2 电容式微加速度计噪声建模82.2.1 机械热噪声82.2.2 电路噪声82.2.3 噪声计算102.2.4 实验结果分析112.3 结论123 电容式加速度计的闭环检测电路分析123.1 三明治结构加速度计
11、检测原理133.2 双端反馈闭环检测电路设计133.2.1 高对称激励信号源143.2.2 同步相敏解调的带通作用173.2.3 双端反馈静电力平衡回路173.2.4 实验结果与讨论183.3 结论194 电容式加速度计的自动校零技术分析194.1 加速度计结构和静电力调零原理204.2 自动调零电路的设计214.2.1 数字电位器MAX4502的工作原理214.2.2 自动校零接口电路及其实现214.2.3 实验结果224.3 结论235 总结与展望23参考文献24致谢25闽南理工学院毕业设计第1章 绪论1.1 机械加速度计的基本原理加速度计的测量原理基于牛顿第二定律:物体受到的合力等于其质
12、量与加速度的乘积。无论哪种类型的加速度计，都包括机械敏感元件和检测电路两部分。在外部加速度引起的惯性力作用下，机械敏感元件的某项属性会发生变化，从而引起相关物理量(电容、压力、电阻等)的变化。通过检测电路将这些变化转化为容易测量的电学量，比如电压、电流、频率等等，作为被测加速度的量度。常见的机械敏感元件是一个敏感质量块，该质量块通常可以沿某个方向自由移动，它通过弹性悬挂机构与壳体连接。当壳体以某一加速度运动时，质量块就会受到一个惯性力作用而发生一定的位移。正是这种位移，引起了某些物理量的变化。加速度计可以用图1-1所示的弹簧质量块一阻尼二阶系统来表示。图1-1假设敏感质量块的质量为m，支撑梁的
13、弹性系数为k。质量块运动时会受到周围空气分子的碰撞，模型中用阻尼因子b表示该作用。图1-1中固定框架的绝对位移为z，敏感质量块的绝对位移为y，则敏感质量块相对于外框的位移为x=y-。 敏感质量块受到以下几个力作用:外部加速度引起的惯性力、支撑梁的弹性回复力和空气的阻尼力。假设外部加速度为a(t)。根据牛顿第二定律，可以得出以下运动方程：整理可得对上式进行拉普拉斯变换得：将稳态情况下的加速度计的灵敏度称为稳态灵敏度，其表达式为：从上式可以看出，提高加速度计稳态灵敏度的方法有:增大敏感质量块的质量，减小弹性梁的弹性系数(相当于增加弹性梁的刚度)。这样一来，自然谐振频率就降低了。1.1.1 加速度计
14、的性能指标加速度计的性能指标主要包括灵敏度、量程、分辨率、非线性、零偏、交叉轴灵敏度和抗冲击性能等。下面对这些性能指标作一些简单介绍:灵敏度是指加速度计的输出与外部施加的加速度的比值，通常以单位重力加速度下加速度计的输出量表示。根据检测原理的不同，加速度计的输出也有多种形式，有电压输出，频率输出等，相应的灵敏度的单位也不同，有V/g，Hz/g等。最常见的是电压输出的加速度计。量程是指加速度计能够检测的加速度范围，在该范围内，加速度计的其它指标(比如分辨率、灵敏度等)应该得以保证。分辨率是指加速度计能够检测到的最小加速度。在空间应用等高性能场合要求加速度计具有极高的分辨率。非线性是这样定义的:在
15、一系列加速度输入下面测量加速度计的输出，描绘该组数据，进行最佳的线性拟合，输出信号偏离该拟合直线的最大距离称为非线性。通常以加速度计满量程的百分数表示。零偏是指在没有加速度输入情况下，加速度计的输出信号大小。加速度计都有一定的敏感轴方向，该方向表明了加速度计是检测哪个方向的加速度的。所谓交叉轴灵敏度，是指在敏感轴的方向输出信号与非敏感轴输入加速度的比值，希望该数值越小越好。1.2 加速度计的分类 1.2.1 电容式加速度计 电容式加速度计的基本工作原理可以描述如下:外界加速度产生惯性力作用于敏感质量块上，使之发生位移，引起电容的变化，通过检测电容变化量可以检测加速度。下面主要介绍变面积式的电容式加速度计。在电容式微机械加速度计中，机械敏感元件将外部加速度转化为电容，检测电路通过检测该电容来间接检测加速度。
