本文通过分析石英陀螺的工作原理, 设计了闭环自激驱动、低噪声相敏解调原理的接口电路, 并研究了驱动力耦合对零位输出造成的影响, 以提高石英陀螺的环境适应性。通过研究传感器敏感表头的空气阻尼和谐振频率等方面的温度特性, 得出温度对驱动力幅值的影响。进而提出通过驱动力幅值进行温度补偿的方法。对接口电路温度特性以及对陀螺零位输出的影响进行了分析, 设计了全温区带宽恒定的运算放大器单元, 抑制由于检测信号中高次谐波分量比例变化产生的温度漂移, 并在高压N阱CMOS工艺下流片, 实现低温漂接口ASIC。在-45 ℃~85 ℃的温度范围内对石英陀螺整机进行零位温度循环测试, 利用驱动力幅值对零位输出进行三阶拟合补偿, 补偿后全温零位温度漂移小于20°/hr(1σ), 短期稳定性为5°/hr, 输出噪声为0.001°/s/√Hz。

根据液浮转子式微陀螺闭环驱动系统对转子转速测量的需求，提出了一种适用于悬浮转子式微陀螺的反电动势转速检测方法。根据楞次定律，永磁转子在附有检测线圈的定子中转动时，会切割磁感线感应出反电动势。对反电动势信号进行分析，即可测得转子的转速。由于检测线圈与驱动线圈共用定子铁芯，这种检测方法在降低定子结构复杂度的同时，也引入了矩形波驱动信号带来的毛刺干扰。干扰信号经过模拟低通滤波器衰减后，通过模数转换器转换为数字信号。该信号通过单片机上运行的过零检测算法处理后，即可得到当前转子的转速。测试结果表明，该转速检测系统在刷新率为4 Hz、转速达到5 000 r/min以上时，测量值的相对误差在0.3%以内，其非线性误差为0.41%,能够满足对悬浮转子式微陀螺转速进行检测的要求。

平行板电容是大多数MEMS传感器件的核心检测结构。考虑随着检测电极间距的减小, 电极表面粗糙度会对其空间电场分布产生影响, 本文研究了电极表面粗糙度对检测电容性能的影响。建立了单粗糙电极的平行板电容器模型, 并采用有限元法分析了表面粗糙度和边缘效应对静电场分布的影响; 针对粗糙表面增大了电极存储电荷的能力, 对粗糙表面的平行板电容器计算公式进行了修正。采用原子力显微镜对不同粗糙度的样本进行了表征, 实验和仿真结果表明: 减小两电极之间的距离, 增大检测电极的表面粗糙度, 可以显著增大检测电容。当检测电极的粗糙度从0.063 nm增加到60 nm时, 平行板电容器电容值增大了9.0%。结论显示, 增大MEMS电容器两电极的表面粗糙度, 可以有效地增大MEMS器件的检测灵敏度。

以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共聚物材料作为流场基体，以不锈钢薄片作为集流板，设计制作了一种新型空气自呼吸式微型直接甲醇燃料电池。采用线切割、激光切割等微加工技术制作集流板，并在集流板表面溅射金作防电蚀处理以降低接触电阻。通过对电池阳极传质的建模仿真以及性能测试发现，与传统微型DMFC的阳极结构相比，该阳极结构有效地提高了甲醇传质阻力，减小了甲醇渗透，更适于应用高浓度甲醇燃料。稳定性测试显示该微型DMFC在较高浓度(7 mol/L)和很小流速(0.1 ml/min)下可以稳定工作，满足了便携式电源对高能量密度的需求。该电池还具有轻质、可批量化生产等优点，便于便携式电源的进一步推广和应用。

针对毛细管电泳非接触电导检测电极间的寄生电容对检测信号的影响，研究了非接触电导检测器检测电极的结构。采用边界元素法研究了毛细管电泳非接触检测电极间的寄生电容，通过静电场软件仿真了两电极之间的电场分布，优化了非接触电导检测的电极结构。根据仿真结果提出了一种三明治式电极结构，其有效电极长度为200 μm，解决了传统电极结构寄生电容较大的问题，也克服了传统三电极结构检测电极易于折断的缺点。实验和仿真结果表明，相对于传统的电极结构，三明治式电极结构的检测器的寄生电容为10-15 F，减小了一个数量级。另外，该检测器在220 V/cm的分离场强下两种无机离子可在40 s内实现完全的分离检测。得到的结果显示三明治式的电极结构适合于毛细管电泳非接触电导检测，可以提高非接触电导检测法的灵敏度。

针对自呼吸微型直接甲醇燃料电池阴极氧气传质效率低和性能差等问题，对微型直接甲醇燃料电池阴极集流板多孔结构进行了设计和实验研究。通过建立甲醇燃料电池阴极模型，分析了集流板开孔形状和开孔率的变化对电池性能的影响，指出开孔形状对阴极电流几乎没有影响，开孔率在一定范围内变化时阴极电流变化较小。然后对得出的结果进行了实验验证。提出了一种具有平行沟道的阴极集流板多孔结构，通过对阴极氧气浓度、速度和电流密度的模拟仿真，说明了提出的结构可以有效改善氧气传质和提高电池性能。利用微精密加工技术实现了有效面积为8 mm×8 mm的自呼吸微型直接甲醇燃料电池，室温下测试显示，当甲醇溶液浓度为1 mol/L，流速为1 ml/min时，最大输出功率达到11 mW/cm2，为便携式微能源系统的应用开发奠定了基础。

提出了一种用于电容式微加速度计的低噪声、高线性度全差分接口电路。基于开关电容检测技术，该电路采用一种新的双路反馈结构来提高系统线性度，并采用2 μm n阱CMOS工艺完成芯片设计。仿真结果证明，电路中采用的双路反馈和全差分检测结构使系统的线性度达到0.01%。加入经过优化设计的比例-微分-积分控制器后，有效减小了系统稳态误差，系统响应速度提高了31%，系统线性度提高了66.7%。在±5 V工作电压下，选取64 kHz作为电路采样频率时，其电路等效输入噪声为8 μg·Hz-12，系统灵敏度为1.22 V/g，线性度为0.03%，测量范围为±2 g。测试结果显示，提出的电路达到高精度微加速度计系统设计要求，可以应用到地震监测、石油勘探等领域中。

针对使用仪器检测电容型碳纳米管湿度传感器的电容信号不利于传感器的使用与推广问题，提出了一种基于555多谐振荡式电路检测的电容型碳纳米管湿度传感器。首先，分析了传感器工作原理以及检测电路的检测原理，设计并制作了电容型碳纳米管湿度传感器；然后，分别使用仪器及检测电路对传感器进行测试；最后，对传感器响应时间进行了测试与分析。实验结果表明，该传感器在环境相对湿度从11%变化到97%过程中，电容相对灵敏度为905%，输出频率相对灵敏度为889%，两者较为吻合，表明该电路能很好地将电容信号转化为频率信号输出。另外，传感器对湿度的响应时间约为4 s，恢复时间约为18 s，功耗约为12 mW，具有功耗低、响应速度快等优点。

采用蒙特卡洛分析法,对由于时钟抖动造成的加速度计定位误差进行了系统的分析。仿真结果表明,在存在时钟抖动的情况下,加速度测量值是渐近服从高斯分布的,这个结果与理论分析相吻合。对积分距离的方差与时钟抖动之间的关系进行了分析,理论及仿真分析结果都表明了噪声的数值双积分的积分误差与时钟抖动的大小成正比。当输入一个幅值为1g,周期为1 s的正弦波加速度信号时,1 s后数值双积分的积分误差与时钟抖动的比例系数为0.261 1。

为获得适合单片集成的硅基PZT压电功能结构,对近年PZT薄(厚)膜在MEMS领域的研究现状进行了综述分析,提出了一种新型的双杯PZT/Si膜片式功能结构。采用有限元方法对双杯PZT/Si膜片进行了结构优化,得到PZT和上下硅杯的结构优化值为DPZT∶D1∶D2 =0.75∶1.1∶1,一阶模态谐振频率为13.2 kHz。以氧化、双面光刻、各向异性刻蚀以及精密丝网印刷等工艺技术制作了双杯硅基PZT压电厚膜膜片,膜片具有压电驱动功能,PZT压电膜厚达80 μm。实验表明,双杯PZT/Si膜片式功能结构的MEMS技术兼容性好,对芯片内其它元件或电路的影响小,适合作为MEMS片内执行元件的驱动机构。