ANSYS三明治加速度计设计技术仿真+文献综述(2)
4.2 电容间隙误差分析28
4.3 本章小结29
第五章 总结与展望 30
5.1 总结29
5.2 未来的工作展望29
致谢30
参考文献32
1 绪论
1.1. 研究的目的与意义
微机电系统 (MieroElectromechanicalsystem，简称MEMS)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。
1985年至今，MEMS技术得到了飞速发展，各种结构新颖，加工方法巧妙的MEMS器件不断出现，使得MEMS器件的性能不断提高，应用领域也不断扩大。在众多的MEMS器件中，微机械加速度计是应用最广，商业化最成功的产品之一，从最早应用于汽车领域的安全气囊系统，到现在消费电子产业中的重力感应装置，微机械加速度计正在改变我们的生活。和传统的加速度计相比，利用MEMS技术加工制造的微机械加速度计体积小、能耗低、制造简单、稳定性高，竞争优势明显，是未来广为看好的领域，据权威市场研究报告，微加速度计的市场额度已经超过10亿美元，在2013年将会成为市场上最热门的产品[1]。
图1.1 全球MEMS市场（2005-2010）
微电容式加速度计是通过感测质量块惯性位移引起的电容变化来检测所加载的加速度大小。它利用现有的集成电路技术稍加调整就可以实现兼容，有很好的直流响应和信噪比，较高的稳定性，高灵敏度，容易实现自检，在响应低频激励时表现很好，所以电容式加速度计的综合指标最优，尤其是在要求有较高测量精度和分辨率的导航系统，微电容式加速度计更是得到了广泛的应用。“三明治”加速度计相比其它加速度计，因其质量块较大，因而具有较高的灵敏度和高分辨率。因此，研究三明治加速度计设计技术，将为实现较高性能加速度计奠定基础。
1.2. MEMS加速度计的研究及发展现状
1.3 论文主要内容
本毕业设计主要围绕电容式微机械加速度计设计技术展开研究，重点研究了“三明治”加速度计的结构和工作机理，进行加速度计结构设计的理论研究和仿真分析，并进行加工误差机理分析。
本论文的主要内容包括：
1）介绍电容式微机械加速度计工作机理和制备工艺；
2）根据量程50g，分辨率0.1mg的要求，进行“三明治”加速度计结构设计，确定具体的结构形式和结构参数，并进行相应的理论分析；
3）采用ANSYS有限元仿真软件对“三明治”加速度计结构进行仿真分析；
4）分析加工误差对“三明治”加速度计结构性能的影响。
2 三明治式加速度计工作原理
2.1 “三明治”加速度计的工作机理
2.1.1 结构组成
传统电容，从而提高了加速度计的精度。“三明治”加速度计结构的敏感部分由检测质量块和支撑梁组成，悬臂梁的数目从一根到四根不等，这些悬臂梁都在一个平面上[9]。如图2.1所示,质量块通过支撑梁和固定的基底连接，质量块和上下两块极板形成了差分
图2.1 常见的几种悬臂梁-质量块结构
完全对称式“三明治”加速度计结构的质量块由4根完全相同的梁支撑，4根梁分别位于质量块的4个侧表面，这种高度对称的结构可以大大降低传感器的交叉轴灵敏度;上、下电极采用低阻硅片制作，具有良好的导电性能，器件双面蒸铝后即可实现上、下电极的引出[10]。
2.1.2 动力学
电容式加速度的基本数学模型是一个质量-弹簧-阻尼系统，加速度通过质量块形成惯性力作用于系统，如图2.2所示。