为了实现了电容式传感器和其他信号处理电路之间的接口,提出了一种电容式传感器接口电路。该接口电路基于开关电容技术,采用采样电荷结构,并在其前端读出电路采用采样开关噪声消除技术,在0.35μm 2P-4 M CMOS标准工艺下设计并流片实现,且特别适用于开环或力平衡闭环电容式微加速度计和振动角速度陀螺仪应用。测试结果表明：在1 MHz的采样时钟下,该接口电路取得了约5.35 aF的电容分辨率和约0.173 aF.Hz-1/2的噪声基底。

为了探索微机械陀螺突破精度极限的新途径,设计了一种基于环形转子、体硅加工工艺、转子5自由度悬浮的硅微静电陀螺仪.采用玻璃-硅-玻璃键合的三明治式微陀螺结构,提出了包括双边光刻、反应离子刻蚀（RIE）、电感耦合等离子体（ICP）刻蚀、玻-硅静电键合、硅片减薄、多层金属溅射等关键工艺的加工路线.在工艺设计中采用铝牺牲层对转子进行约束,在第2次玻-硅键合后再通过湿法去除牺牲层,以得到可自由活动的转子.基于提出的体硅工艺路线,成功加工出了微陀螺敏感结构,并完成了转子5自由度悬浮和加转实验,测试结果表明大气环境下转子转速可达73.3 r/min.

本文首先介绍静电悬浮加速度计在国内外的发展现状以及在空间技术中的应用，然后介绍静电悬浮加速度计的基本工作原理。针对测量微弱差动电容△C的检测线路进行设计，建立了用于调制△C的变压器电流电桥的等效电路模型，导出了用于调制信号放大的宽带放大电路的放大倍数KAC，分析了采用2路TTL同步方波信号控制4路单刀单掷模拟开关的解调电路工作过程，估算了滤波电路的截止频率f-3dB，使得解调信号在工作频带fs内基本保持0dB增益，在高于载波频率f0上获得较大的衰减。实验结果表明，该检测线路实际灵敏度为0．601mV／fF，考虑线路固有噪声和寄生电容的影响，最小分辨率达到1．06fF。

冲击载荷强迫微加速度计的敏感质量大大偏离平衡位置,使差动静电力发生器的非线性效应体现出来,其结果是使正常工作时敏感质量仅在平衡位置附近有微小位移的状况下成立的负反馈闭环系统模型不再适用,敏感质量的受控特性可能变为正反馈,从而使微加速度计失效。为提高微加速度计受外界大载荷冲击后的可靠性,分析了加速度计的敏感质量在不同限制的静电反馈力下的受控特性及对应的闭环系统特性,推导了在已知止挡机械参数下确定微加速度计相应电气参数从而避免此类失效的防吸合准则。多次的验证实验表明,按防吸合准则设计了系统参数的静电力反馈加速度计,在受到远超过其本身量程的载荷冲击后,可以100%地防止吸合现象的出现。

在电容式微加速度计系统中，零偏是一个普遍存在的问题。针对这个问题设计了一种采用二进制权重的微小电容阵列，引入了基于电荷的电容测量方法并对其进行了仿真验证，验证表明这种电容测量方法具有约0．01fF的测量精度。采用该种电容测量方法对微小电容阵列进行仿真，在线宽为0．18um的一层多晶硅六层金属的CMOS工艺下，取得了1.23％的相对精度，表明这种方法是可行性。

为定量研究梳齿式微加速度计闭环系统的性能和参数设计准则，通过静平衡方程得到闭环系统输出公式，由此公式推导出灵敏度、最大预载、最佳预载、量程、稳定性、线性度、分辨率等公式。分析了机械和电气参数变化对性能的影响，根据性能指标提出参数的优化准则和设计公式。

设计了一种基于静电悬浮原理的微机械加速度计。它采用三明治结构的微敏感元件，电容式位移检测方案及静电力悬浮控制方案。着重对敏感元件的主要结构设计、参数的选取、支承静电力的计算以及量程极限、精度极限等问题进行了分析，表明在目前技术条件下，可以实现量程约5g，精度为10^-5g的悬浮微加速度计。设计并加工出一种圆环形结构的敏感元件，已实现了Z轴方向的静电悬浮及加速度测量，证明设计方案是可行的，进一步研究可实现三轴悬浮加速度计。

为测量梳齿式微机械加速度计敏感元件的机械参数,提出一种静态电测法.在施力电极上加载直流电压,产生与摆片重力相当的静电引力,根据静电力与重力平衡的关系式,求解出敏感元件的实际机械参数.进行了检测电路的放大性能实验、加速度计重力场静态翻滚实验和摆片的静电吸引实验.实验结果表明,该方法能准确地估算敏感元件的实际机械参数及静态性能.与其他方法相比,静态电测法能较为全面地评估加工工艺对系统性能的影响,不需要特殊的测量环境和仪器设备,能在制造现场使用.

为优化梳齿式微硅加速度计的系统设计，研究了激励电压对加速度计性能和电路参数选择的影响。推导出的系统静电力方程说明，激励电压对静电力的影响相当于在预载电压上叠加了微幅高频干扰，该干扰决定了加速度计的标度因数稳定性。由闭环传递函数得出了标度因数稳定性与电路参数间的关系。实验结果表明，根据标度因数稳定性指标选取了合适的电路参数后，可以忽略激励电压对静电力的影响。在实际应用中，利用该结论可以减小加速度计尺寸并降低功耗。

为了提高模拟力平衡式电容微机械加速度计的鲁棒性和分辨率，对系统的非线性进行了研究。通过分析系统的数学模型，认为力发生器的非线性会引人一个可变负刚度。在传统方案中，为保证加速度计满量程时总刚度大于0，预载电压要小于失稳预载的0．707，这就造成在加速度输入较小时其总刚度较大，从而影响其阈值以及小输入时的分辨率。为弥补传统方案中力矩器非线性对系统分辨力的影响，本文应用自适应理论，提出一种基于总刚度不变的变预载自适应调整方法来提高闭环系统的鲁棒性和分辨率。设计了一种基于DSP的数字式微机械加速度计并进行了试验。试验结果表明，采用自适应调整方案后，加速度计在0g附近的分辨率由43．2μg提高到11．3μg，1g附近的分辨率由36．4μg提高到12．1μg，这些数据验证了自适应调整方案对系统性能的改进。