文献综述
加速度计是控制检测设备和惯性制导导航的重要测量元件，它们都利用了加速度计的敏感特性来测量载体的运动加速度，加速度计目前已广泛应用于包括航海、航空和航天在内的多种领域[1]。随着时代的发展和技术的进步，各种结构和原理的加速度计也应运而生，如：压电式加速度计、压阻式加速度计、电容式加速度计等，其结构和工作原理日趋完善，工作性能也得到了大幅度提高。
随着MEMS技术的发展，以及微器件设计技术和工艺水平的提高，微传感器的开发和应用取得了极大的进步。基于该技术的微机械加速度计具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好、易集成等优点，已经广泛应用于航空航天、汽车工业等行业，具有广阔的发展和应用前景[2]。
1．MEMS加速度计
MEMS（Micro-electro-mechanical Systems）是指微机电系统，主要由微机械和微电器构成。MEMS加速度计由于采用了微机电系统技术，尺寸大大缩小，而且灵敏度高、噪声低、重量轻，被广泛应用于医学、航空航天、汽车工业等各个领域[3]。而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，所以具有很高的性价比。
MEMS 加速度计的研究始于20世纪80年代初，并且采用MEMS 和IC 工艺加工生产[4]。MEMS加速度计得到了迅猛发展，延伸出了各种类型的MEMS加速度计，包括压阻式、压电式、电容式、热对流式、隧道电流式等，其各自的工作原理和特点如表1所示[5]。
表1 常见MEMS加速度计性能对比
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类型 |
压阻式 |
压电式 |
电容式 |
热对流式 |
隧道电流式 |
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分辨率 |
低 |
中 |
低 |
中 |
高 |
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灵敏度 |
小 |
中 |
中 |
高 |
高 |
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工作原理 |
压阻效应 |
压电效应 |
极间电容变化 |
热对流传导 |
隧道效应 |
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优点 |
结构简单 |
带宽大且线性度好 |
稳定性好 |
灵敏度高，抗冲击能力强 |
温度效应小 |
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缺点 |
温度系数大 |
迟滞效应明显 |
易受电磁干扰 |
易受环境温度影响 |
工艺复杂 |
世界上第一只微加速度计是由美国斯坦福大学Roylance和Angell于1979年研制成功，这是一种硅压阻式加速度计，其顶视图和中心横截面如图1所示[6]。
图1 硅压阻式加速度计顶视图和中心横截面
该加速度计由质量块和单悬臂梁组成，尺寸为3times;2times;0.6mm，重0.02g，通过在悬臂梁上安置压敏电阻形成半桥，并与淀积的铝连线做互联[7]，可以实现0.001g到50g的测量范围和超过100Hz的带宽[8]。
本次毕业设计所模拟的是MEMS电容式加速度计。70年代末以来,国内外展开了对MEMS电容式加速度传感器的研究，至今已形成了一套比较成熟理论体系[9]。电容式加速度计的工作原理为[10]：当有加速度时，质量块会受到惯性力的作用向反方向运动，而质量块发生的位移后会受到弹簧和阻尼器的反向作用力。此时质量块所产生的位移变化与外界加速度有一一对应关系。当质量块发生位移时,质量块代表的可动极板和固定极板之间的电容就会发生相应的变化。如果测得此时输出电压的变化，就相当于测出了质量块的位移,那么相应的就可测出外界的加速度。
图2所示为一种典型的三明治摆式电容加速度传感器的示意图[11]。当有加速度作用时，质量块产生偏离平衡位置的位移，一对电容极板间的间距变大，而另一对电容极板间的间距变小，从而形成差动检测电容。通过理论推导可知在质量块位移较小的情况下差动电容的大小和加速度近似成线性关系。但由于此种电容式加速度计制作工艺复杂困难，且悬臂梁所能承受的应力有限，则这种加速度计测量范围一般较小。
图2 三明治式电容加速度传感器的结构原理图
电容式加速度计具有灵敏度相对较高、温度效应小、加工工艺不复杂等优点，也是目前应用很广泛的一种加速度传感器。
现阶段对于MEMS加速度计，国外以AD、ST、VTI、MIT Draper实验室等为代表的公司或科研机构对MEMS加速度计进行了深入的研究，使其分辨率可以达到100mu;g。国内关于MEMS加速度计的主要研究机构有清华大学、北京大学、东南大学、中电十三所、上海微系统所等，由于我国产业化加速度计仍旧沿用传统的压电技术，因而精度不高，基本处于100mu;g的水平[12]。
由于MEMS加速度计存在分辨率不高，动态范围不大的缺陷，这类加速度计只能应用于对测量精度要求不高的民用领域 [13]。而开环加速度计系统的静态灵敏度和动态范围两项指标很难通过改变其参数同时得到改善[14]，所以为了提高测量精度即同时提高分辨率和动态范围，需要在原有MEMS加速度计上加入闭环反馈模块。
2．闭环控制系统简介
按控制方式不同，加速度传感器分为两种，开环加速度传感器和闭环加速度传感器[15]。开环加速度计的性能由测量范围，通带和线性度等限制。而加速度计的闭环可以减少其非线性特性并提高加速度计的性能。闭环可以使质量块保持在两固定电极之间的中心位置以抑制吸合现象并提高加速度计的工作带宽[ 16,17 ]。由此可知，若MEMS加速度计中含有闭环控制系统，则可通过自平衡机制可以使加速度计始终处于稳定工作状态，动态范围较宽，适合复杂环境下的精确测量。
闭环控制系统，是指输出量直接或间接反馈到输入端，并与输入量进行相减得到偏差，再由偏差产生控制作用来消除偏差，最终形成闭环控制的系统。其基本结构框图如图2所示。
图2 闭环控制系统结构框图
其工作原理如下：设定给定量，并送至比较器和检测到的实际输出值进行差分，将差分所得传递给控制器，使控制器通过控制量控制被控对象执行相应的操作，输出的被控量经过检测装置传递到比较器和给定量进行进一步的比较，最终使得被控量和给定量相等。MEMS电容式加速度计是利用弹性结构和运动方程得到加速度值，因而系统中的控制量是质量块和极板间的位移x，执行器是反馈静电力Ff，被控对象是质量块m，检测装置是光学传感器，给定量是偏置电压VB [18,19]。
但是基于MEMS加速度计的闭环系统需要考虑：如何选取适当的偏置电压使输出电压变大的同时不至于发生吸合现象，如何尽可能大地提高闭环控制模块的响应速度，如何通过调节PID参数使输出信号接近理想输出曲线等问题。则本次毕业设计是用simulink模拟MEMS电容式加速度计的闭环系统，再利用PSpice进行电路设计和仿真。
参考文献
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[2] 李圣怡,刘宗林,吴学忠等.微加速度计的发展[C].全国生产工程第九届年会暨第四届青年科技工作者学术会议论文集, 2004, 271-274.
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[4] 刘宇,鞠文斌,刘羽熙等.MEMS加速度传感器计量检测技术的研究进展[J].计测技术,2010,(4):5-8.
[5] 金大重,生化检测用集成微机械悬臂梁谐振传感器技术[D],中国科学院上海微系统与信息技术研究所,2006
[6] 贺玲,薛大同.微机械硅加速度计的性能分析[J].真空与低温, 2003, 9(2):63-70.
[7] 杨杏敏.大过载压阻式加速度计设计、封装与测试[D].太原:中北大学,2011.
[8] Roylance LM, Angell JB. A batch-fabricated silicon accelerometer[J]. IEEE. Trans. Electron. Devices, 1979, 26, 1911–1917.
[9] 任杰等,一种双轴电容式微机械加速度传感器[J],传感技术学报，2006,10(5):2174-2176．
[10] 方樹,郭群英等,电容式MEMS加速度传感器技术[J],集成电路通讯,2011,29(3): 1-8
[11] 凌灵,陈文元等,微机械电容式加速度计的结构及检测技术研究[J],仪表技术与传感器,2008(8): 3-12
[12] 赵双双.微光学集成的高精度MOEMS加速度传感器研究[D].杭州:浙江大学,2013.4.
[13] 周巧芬.基于可变光栅微加速度传感器的研究[D].杭州:浙江大学,2011.
[14] 周晓奇.电容式微机械加速度计处理电路研究[D].杭州:浙江大学, 2008.
[15] 廉文秀.高精度MOEMS加速度计信号处理系统设计[D].杭州:浙江大学, 2014.
[16] C. Belea, Teoria sistemelor automate. Vol. 1.Universitatea din Craiova, 1971.
[17] D, Mihoc, Teoria si elementele sitemelor de reglare automata. Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti,1980.
[18] Grigorie T L. The Matlab/Simulink modeling and numerical simulation of an analogue capacitive micro-accelerometer. Part 1: Open loop[C]. Perspective Technologies and Methods in MEMS Design, 2008. MEMSTECH 2008. International Conference on. IEEE, 2008:105-114.
[19] Grigorie T L. The Matlab/Simulink modeling and numerical simulation of an analogue capacitive micro-accelerometer. Part 2: Closed loop[C]. Perspective Technologies and Methods in MEMS Design, 2008. MEMSTECH 2008. International Conference on. IEEE, 2008:115-121.
文献综述
加速度计是控制检测设备和惯性制导导航的重要测量元件，它们都利用了加速度计的敏感特性来测量载体的运动加速度，加速度计目前已广泛应用于包括航海、航空和航天在内的多种领域[1]。随着时代的发展和技术的进步，各种结构和原理的加速度计也应运而生，如：压电式加速度计、压阻式加速度计、电容式加速度计等，其结构和工作原理日趋完善，工作性能也得到了大幅度提高。
随着MEMS技术的发展，以及微器件设计技术和工艺水平的提高，微传感器的开发和应用取得了极大的进步。基于该技术的微机械加速度计具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好、易集成等优点，已经广泛应用于航空航天、汽车工业等行业，具有广阔的发展和应用前景[2]。
1．MEMS加速度计
MEMS（Micro-electro-mechanical Systems）是指微机电系统，主要由微机械和微电器构成。MEMS加速度计由于采用了微机电系统技术，尺寸大大缩小，而且灵敏度高、噪声低、重量轻，被广泛应用于医学、航空航天、汽车工业等各个领域[3]。而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，所以具有很高的性价比。
MEMS 加速度计的研究始于20世纪80年代初，并且采用MEMS 和IC 工艺加工生产[4]。MEMS加速度计得到了迅猛发展，延伸出了各种类型的MEMS加速度计，包括压阻式、压电式、电容式、热对流式、隧道电流式等，其各自的工作原理和特点如表1所示[5]。
表1 常见MEMS加速度计性能对比
