电容式微机械加速度计系统动态特性研究.pdf

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1、第31卷第5期电子科技大学学报Vol.31No.52002年10月JournalofUESTofChinaOct.2002*电容式微机械加速度计系统动态特性研究**112陈宇晓文贵印刘昌孝(1.中国工程物理研究院电子工程研究所绵阳621900；2.电子科技大学成都610054)【摘要】建立了电容式微机械加速度计闭环系统的二阶近似模型，分析了伺服电路增益和带宽对闭环系统动态特性的影响，提出了调节伺服电路参数来补偿系统动态性能的方法，给出了不同输入条件下系统初始启动稳定时间和输出误差的计算方法。关键词微机械加速度计；闭环模型；动态特性；补偿方法；系统响应中

2、图分类号V241.45ResearchonDynamicBehaviorofMicromachinedCapacitiveAccelerometer112ChenYuxiaoWenGuiyinLiuChangxiao(1.InstituteofElectronicEngineering,CAEPMianyang621900；2.UESTofChinaChengdu610054)AbstractThesecond-orderproximatemodelonclosed-loopsystemofMicromachinedCapacitiveAccelero

3、meterissetup.Influenceofthegainandbandwidthofservo-circuitonthedynamicbehaviorofclosed-loopsystemisanalyzed.Themethodtocompensatedynamicperformanceofservo-systembyadjustingtheparametersofservo-circuitisputforward.Thecomputationalmethodsofstart-upresponsetimeandoutputerrorofservo

4、-systemaregivenindifferentinputs.Keywordsmicromachinedaccelerometer;closed-loopmodel;dynamicbehavior;compensatorymethod;responseofsystem微加速度计是基于微电子机械系统(MEMS)技术的微型惯性器件，具有传统加速度计无可比拟的优点，如微小型化和多功能化，是惯性导航加速度计的发展方向。目前硅微加速度计已经取得了较大发展，最具吸引力和最为成熟的是电容式静电反馈力平衡加速度计，其系统结构如图1所示，它由惯性敏感单元(亦称加速度

5、计、惯性传感器)和伺服电子线路两部分组成。传感器受外给加速度并产生质量位移和伺服电路检测位移，并给出输出V及反馈电压V。在加速度计的设计过程中，outfb为满足性能指标必须反复调整传感器机械结构的基本参数，这样势必会影响整个系统的动态指标，本文通过一种简便方法来补偿损失的动态性能，分析了不同输入条件下系统的动态响应，提出了计算系统初始启动稳定时间和输出误差的方法。1加速度计闭环系统的二阶近似加速度计结构中的闭环系统如图2所示。图中，M为敏感质量，f为传感器封装下的空气阻尼，zK为悬臂梁刚度，τ为低通滤波LPF时间常数，K为放大增益，F为静电反馈力。由于

6、传感器z1fb2002年6月28日收稿*国家“九五”重点科研基金资助项目**男30岁硕士生498电子科技大学学报第31卷为二阶系统，引入电路极点−/1τ，则整个闭环系统为三阶系统。传感器的力学模型为质量、弹簧和阻尼器组成的经典二阶系统，其阻尼和带宽(固有谐振频率)为⎧fz⎪ζ=2MK⎪z⎪⎨(1)⎪K⎪zω=n⎪⎩M位移检测电路电路增益LPFK1空气敏感质量块上电极+V0KVoutVdrive-V0Vfb悬臂梁下电极Kfb图1电容式硅微加速度计系统基本结构框图a1KzFzΔzK1VoutMpos+−2sτ+1FfbMs+fzs+KzKfb图2加速度计闭

7、环系统框图实际情况下,由于传感器封装间距非常微小，气体阻尼f较大，同时质量块很轻，因此加速度z计处于重过阻尼状态，此时传感器的两个机械极点的计算式为⎧Kzs=−⎪1f⎪z⎨(2)⎪fzs=−⎪2⎩M假定微加速度计机械结构参数如下(60g三明治结构微加速度计典型设计值):质量M=2.097mg、悬臂梁刚度K=267.2N/m，空气阻尼f=1.935kg/s。依据式(1)可计算出传感器阻尼ζ≈41，振频率zz5f=ω2π≈8.1kHz根据式(2)可得极点s≈－138o,zn1rad/s，s2≈－9.2×10rad/s所以通常情况下极点s2要比s大4个数量级

8、，假定此时电路极点满足s<<1/τ<