题目：微米光栅加速度计方案优化设计与实现技术研究

小型化、低功耗、高精度、高可靠是加速度计研发追求的目标。微加工工艺的不断成熟大大推动了加速度计向微小型化发展。此外，加速度计检测技术中，闭环检测在量程、线性度、带宽等方面都优于开环检测。本论文中，微米光栅加速度计不仅采用微加工方法制成，具有微小型的优点，同时采用光学的方法进行检测具有高精度的优势。但是，微米光栅加速度计的开环系统灵敏度和量程等性能指标的进一步提高有限，制约了它的进一步发展。因此，本论文主要：1）基于标量衍射理论，以提高系统性能为目标，对光路关键参数进行了仿真分析；（2）基于静电驱动的激励方式，对闭环检测优化方案进行了探索研究，该检测方法不仅能克服开环系统中灵敏度和量程进一步提高有限的问题，而且能够改善系统的非线性度。由于静电驱动相对于电热驱动、电磁驱动等激励方式，具有原理简单，易于实现，功耗小，易于集成化以及与CMOS工艺兼容等显著优势。因此，论文中采用静电驱动的激励方式实现闭环检测功能。

论文对微米光栅加速度计光路关键参数进行仿真分析，对闭环检测控制方案进行了探索研究，对涉及的理论建模、关键参数仿真分析、电路设计与制作以及软件的设计与仿真等方面进行了详细的论述。论文的主要研究内容如下：

一、微米光栅加速度计的理论基础。首先，基于标量衍射理论，分析了微米光栅加速度计敏感头传感原理，阐明了光强随位移变化的理论关系。其次，建立敏感头平板电容等效模型，简要介绍了静电驱动基本原理。接着，完成了基于静电驱动的开环原理分析，建立了开环系统模型，包括敏感头力学模型和静电驱动力学模型，并分别对双极板和三极板驱动方案进行仿真分析。最后，建立了基于静电驱动的闭环控制模型，通过闭环控制原理分析，得到系统各个环节的传递函数，给出了闭环稳定性判定依据，并对闭环输出信号进行分析，得到闭环输出信号与加速度的线性关系，表明闭环相对于开环非线性度得到改善，为闭环控制提供理论依据。

二、微米光栅加速度计光路参数仿真分析。首先，基于标量衍射理论，给出了光学灵敏度的表达式，分析了影响光学灵敏度的相关参数：光源波长和光栅与反射面间距。其次，将敏感头光栅和反射面整体等效成相位光栅，基于相位光栅的衍射效率公式，分析得到敏感头光栅占空比的设计值。最后，利用标量衍射理论，应用傅里叶光学进行推导，得到各衍射级次的空间分布表达式，通过仿真分析，为探测器的设计与空间分布提供参考。

三、微米光栅加速度计机电耦合特性分析。分析了传感器机械结构在静电场作用下的机电耦合特性。在外加电压的作用下，微米光栅加速计机电耦合特性包括静电刚度效应和“吸附”效应。根据刚度的定义，分析了静电刚度形成的原因，为静电驱动在系统中的应用奠定理论基础。基于静电刚度公式，分别推导得到开、闭环系统的刚度形式，并且分别阐明了静电电压对开闭环系统的量程和灵敏度性能特性的影响。最后，分析了“吸附”效应对系统稳定性的影响，为系统稳定工作提供指导。

四、微米光栅加速度计闭环控制方案设计与实现。为了提高系统的线性度、量程和灵敏度等，提出了采用静电驱动的激励方式实现闭环控制的方案。首先，完成了电路的设计与制作，同时为了补偿加工误差，对系统初始化方法进行研究，使系统可以工作在最佳工作点，即输出曲线斜率最大的位置，完成了系统的开环功能。接着，完成了闭环硬件电路的设计和闭环数字逻辑模块的设计，编写了Verilog程序并进行了ModelSim仿真分析，实现了基于FPGA的数字闭环功能。最终，为验证闭环效果，搭建试验装置，完成了开闭环系统性能测试，通过对比，闭环测试结果在灵敏度、线性度和量程都优于开环测试结果，表明闭环实现了优化效果。