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MEMS加速度计设计

时间: 2024-05-14

浏览量: 32

MEMS加速度计广泛应用于汽车安全气囊部署和消费电子应用,如智能手机。此外,工业、航空航天和国防应用对高端MEMS加速度计的需求也在不断增长,例如石油勘探、桥梁结构健康监测和导航惯性测量单元。

MEMS加速度计设计的挑战

从概念设计到优化和性能增强,CoventorMP®可以模拟与成功的MEMS加速度计设计相关的各种关键规格。这些包括:

  • 概念验证研究,探索不同的设备配置

  • 敏感性

  • 带宽

  • 噪音

  • 线性

  • 非线性物理,包括阻尼和整流误差

  • 耐冲击性

  • 温度性能

举例来说,使用CoventorMP®MEMS+模块中的多物理场元素构建的加速度计模型如下所示。传感元件由两端由两个弹簧悬吊的穿孔梭体组成。四个梳状指电容器连接到梭体上,两个用于感应,两个用于力反馈控制。该模型是全参数化的,因此可以改变设计参数以优化灵敏度、线性度和带宽。

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MEMS+加速度计模型显示彩色高亮显示惯性质量,传感和控制梳,悬架和接触缓冲器。

MEMS+模块有自己的多物理场仿真求解器,包括静态、模态、线性和非线性谐波分析和噪声分析。该模型也可以直接在Mathworks MATLAB®中进行模拟,通过使用脚本化DOE模拟和优化算法快速探索设计空间。在本例中,梳状单元被配置为同时包含静电和挤压膜阻尼[1]。这使得带宽随压力的变化可以被模拟和绘制,如图所示,使用MATLAB接口到MEMS+。

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等高线图显示在10000 Pa空腔压力下侧边y感模式下的梳子间隙压力变化。左图显示了在1000 Pa到100000 Pa的压力范围内,通过MATLAB界面在30秒内模拟的10次谐波扫描。竖线标记了带宽随压力变化的3db点(右图)。

与电路和系统模拟器的联合仿真

使用Coventor独特的方法,加速度计可以与控制系统和/或运动传感电子设备一起共同模拟。控制系统可以使用Mathworks Simulink®环境建模,利用标准的Simulink工具箱来优化系统性能。同样,传感电子器件可以通过将MEMS+模型直接加载到Cadence Virtuoso®中来建模,或者自动将模型从MEMS+导出到可在兼容模拟器中使用的VerilogA模型。

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包含MEMS+模型的加速度计的Simulink原理图,包括机械接触和非线性挤压膜阻尼。该模型连接到一个简单的二阶σ - δ控制器,由一个理想比较器和一个d型锁存器组成。利用理想开关从输出比特流中产生两个反相位反馈信号,并反馈到加速度计上的控制梳。

插入的示波器图显示输入加速度(上)和反馈控制电压(下)。covenor独特的设计平台结合了一流的MEMS有限元和求解器支持。MEMS加速度计设计人员可以使用它快速准确地探索当今的关键设计挑战。该平台提供了模拟传感元件及其相关电子器件复杂的多域、多物理场行为的能力,并能准确预测灵敏度、带宽、噪声、控制回路稳定性等。




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