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单片三轴微加速度计优化设计与信号处理关键技术

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 前人的工作

1.4 本文主要工作及内容安排

第二章 单片三轴微加速度计结构分析

2.1 微加速度计的结构与工作原理

2.2 双倾斜悬臂梁支撑结构的力学分析

2.3 本章小结

第三章 单片三轴微加速度计工艺优化

3.1 微加速度计原加工工艺及存在的主要问题

3.2 预埋掩膜

3.3 中心支撑封装结构

3.4 本章小结

第四章 单片三轴微加速度计的信号处理与解耦算法

4.1 微加速度计的信号检测原理与方法

4.2 测控电路的硬件与软件设计

4.3 信号解耦算法

4.4 本章小结

第五章 单片三轴微加速度计的测试

5.1 测试系统

5.2 标定测试

5.3 性能测试

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

(一)学术论文

(二)参与的科研项目

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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。

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