硅微静电悬浮加速度计实验研究

硅微静电加速度计将静电悬浮技术与微机械加工工艺相结合,在空间微重力环境下通过降低量程可实现极高的分辨率。设计了一种玻璃—硅—玻璃三明治结构、平行六面体状检测质量、体硅加工工艺、低量程的三轴硅微静电加速度计,分析了加速度计的力平衡回路特性。采用基于DSP的数字控制器,实现了检测质量的六自由度稳定悬浮。在大气环境下测试了静电加速度计的性能。测试结果表明:加速度计x轴的带宽为88.1 Hz,量程为0.220 g n;y轴的带宽为118.2 Hz,量程为0.313 g n;z轴的带宽为10.7 Hz,量程为3.53 g n。     

静电悬浮加速度计关键技术剖析

对静电悬浮加速度计的关键技术进行了分析,给出了结构参数、电容检测器的输出电压与位移的关系,分析了PID控制器的作用和残余气体的阻尼作用,导出了线加速度和角加速度的检测公式,指出了辐射计效应对加速度噪声有重要影响。     

新型三轴微加速度计设计

新型三轴微加速度计采用单一惯性质量,由四组L型梁对称布置支撑;利用差分电容作为检测接口,测量由于惯性力而引起惯性质量的微动位移;电容的差分结构有利于提高微加速度计的检测性能,实现系统静电力反馈闭环控制.利用ICP深刻蚀技术和静电键合技术等微机电系统工艺完成微加速度计的制作.具有体积小、灵敏度高、功耗小等优点,能够广泛应用于导航系统、汽车工业、PC游戏设备以及其他一些消费电子产品领域.     

静电刚度式谐振微加速度计设计

运用梁的横向振动特性分析了梁振动频率与平行板电容形成的静电刚度的关系,并以此设计了静电刚度式谐振微加速度计。在加速度作用下,检测质量产生的惯性力使电容器极板发生位移来改变电容结构的间隙大小,从而使谐振频率发生变化,通过检测频率变化量来测量输入加速度的大小。根据加速度计的工作原理说明检测过程中梁的机械刚度保持不变,只与产生静电刚度的电容间隙变化相关,减小了检测信号对机械误差与残余应力的依赖性。运用加工参数进行理论计算得出加速度计的灵敏度为21．17Hz／gn,在CoventorWare2005中进行仿真表明：加速度计的固有频率为23．94kHz,灵敏度约为20Hz／gn,与理论设计值相近。     

复合量程微加速度计中阻尼的分析与设计

为了避免微加速度计在工作过程中因为共振导致结构损坏,需要在结构中合理设计阻尼.设计了一个复合量程压阻式微加速度计,为了使结构中各个传感器具有较好的阻尼参数,通过静电键合在硅结构层下制作一玻璃层.根据Reynolds方程,可知当硅-玻璃静电键合间距d=2.25μm时,复合量程微加速度计中各个传感器可得到较好的阻尼比.     

声表面波加速度计中压膜阻尼技术的研究

分析论证了压膜阻尼应用于声表面波加速度计的可行性。利用机电模拟方法,建立完整的声表面波加速度计等效电路模型。通过对该模型进行计算机仿真分析,总结出各种压膜阻尼参数影响声表面波加速度计性能的规律,从而为声表面波加速度计的设计提供重要的理论依据。     

高频响小体积三轴加速度计设计与实现

设计了一种基于微机电系统(MEMS)技术的高频响三轴加速度计,内部集成滤波电路和放大电路,实现了传感器与变换器的一体化.电路设计简单可靠,功耗低,稳定性好.电路板的结构采用刚挠结合印制板的设计,保证了传感器输出的高精度和低噪声特性.整机结构体积小巧,刚性好,3个方向的频率响应均可以达到5 kHz,实现了一个测点3个方向高频加速度参数的测量.通过性能指标校验和实验验证,证明传感器具有测量精度高、热灵敏度漂移小、横向效应低等优点,可应用于航空航天等领域.     

低热机械噪声MEMS加速度计设计

介绍了一种能够在大气条件下具备低噪声、高灵敏度特性的MEMS加速度计设计、制作与测试.器件采用梳齿电容检测方法,利用MEMS体硅加工工艺,实现了210对梳齿的加速度计制作.该加速度计不需要真空封装和阻尼孔就能实现低热机械噪声特性,其理论热机械噪声为0.018μg/√Hz.加速度计芯片在大气封装和无阻尼孔情况下Q值高达4...     

磁悬浮式加速度计前期研究

为设计新型的小型高精度磁悬浮式加速度计,利用仿真软件对自制超顺磁性加速度计悬浮体在外磁场中所受的磁力进行仿真,并通过悬浮实验测试超顺磁性加速度计悬浮体在常温常压下的悬浮性能。仿真结果表明:超顺磁性加速度计悬浮体在外磁场中所受的磁力完全受外磁场控制。悬浮实验表明:当外磁场强度合适时,超顺磁性加速度计悬浮体可在常温常压下实现悬浮。实验表明:新型超顺磁性加速度计悬浮体适用于设计小型高精度磁悬浮式加速度计。     

高g值压阻加速度计动态特性与阻尼的关系研究

为了避免高g值压阻加速度计在工作过程中出现结构易损坏、响应信号精准度低的问题,需要在设计过程中合理调整阻尼参数。基于高g值传感器固有频率高、上升时间短两个特性,通过建模仿真从时域和频域两方面分析了阻尼对传感器动态响应特性的影响。得出阻尼比范围在0.10～0.25时高g值压阻加速度计动态特性较好,并通过实验验证了仿真分析的正确性,为设计过程中阻尼参数的调整提供了重要依据。     

一种微机械加速度计的自检测特性研究

采用静电力驱动质量块产生等效加速度信号实现了微机械加速度计的自检测功能。分析了平板驱动电极的静电驱动力、吸合电压以及稳定驱动位移条件。采用光学测试技术测试了驱动电压和驱动位移的关系,吸合电压,证实了理论分析。利用理论分析公式计算了低驱动电压情况下的驱动位移。结果表明在10～15V的直流驱动电压下能产生等效于1g加速度的输出。     

一种电容式微机械加速度计的设计

介绍了一种新型基于滑膜阻尼的电容式微机械加速度计.该加速度计根据差分电容极板间正对面积的改变来检测加速度大小,保证了输出电压与加速度之间的线性度.对加速度计进行了结构设计和分析.给出了加速度计的制作工艺流程,研究了解决深反应离子刻蚀过程中的过刻蚀现象的方法.初步测试结果表明,该加速度计的灵敏度比较理想,谐振频率与理论计算相吻合.     

一种新型数字式加速度传感器原理与设计

建立了一种新型纯数字式加速度传感器的理论模型,通过检测吸合时间差检测加速度.该传感器不存在吸合电压的限制,避免了寄生电容的影响,其芯片面积远小于传统电容式加速度传感器;由于输出时间信号,可采用简单的纯数字接口电路检测.理论分析表明,质量块在两个检测电极之间的吸合时间差ΔT与加速度成正比关系,通过检测ΔT的变化即可检测加速度,其灵敏度、非线性与传统电容式加速度传感器相当.设计了一个悬臂梁-质量块结构的加速度传感器,芯片有效面积仅为0.03 mm2,模拟结果显示,工作电压为8 V,加速度为1 gn时,吸合时间的变化ΔT为1.055 4 μs.采用TTL电路进行检测,其分辨率可以达到0.01 gn,满量程±10 gn工作时,非线性度为1.23%.     

电容式微加速度计的研制

以一个电容式微加速度计为设计实例来介绍了基于IP库MEMS设计的流程,其中主要包括四个部分:原理分析,结构设计,工艺流程和版图设计,封装及电路测试。首先根据需求设计出加速度计的基本结构;然后对该结构进行工艺流程和版图的设计;并利用虚拟工艺来进行仿真和可加工性验证;得到的三维结构通过接口导出到FEM中进行数值分析;接着将数值分析的结果进行基于FEM的运动学建模;求解得到的运动规律,以宏模型的形式存入IP库中;与此同时,利用虚拟运行进行可视化行为级的仿真。     

磁悬浮系统的加速度计反馈控制算法

设计了一种基于加速度计信号改善磁浮列车悬浮性能的控制算法.将固定在电磁铁上的加速度计的输出直接引入反馈控制最,使得悬浮控制系统在不同轨道曲线段上具有相同的表达式,从而使反馈线性化算法得以应用;利用离散跟踪一微分器,从测量到的间隙信号提取其一阶、二阶微分,使实际控制算法得以实现.仿真计算表明,该算法消除了列车进、出竖曲线的冲击,提高了悬浮性能.     

一种新型压阻式加速度传感器的设计与加工

提出了一种新型的基于AlAs/InxGa1-xAs/GaAs共振隧穿纳米薄膜结构的压阻式加速度计结构,运用MATLAB软件对敏感结构参数进行了计算,并利用ANSYS软件对加速度计结构进行了静态和模态分析,首次采用空气桥和控制孔加工工艺对共振隧穿二极管和悬臂梁-质量块结构进行了加工,并对加工出来的加速度计结构进行了频响特性实验。     

硅加速度计系统设计技术

介绍了力平衡式硅加速度计的设计,勾画了MEMS产品的一般设计思路和方法,微结构与电子线路这两个相互依存的设计部分的有效结合保证了整个系统的最终性能与特性,因此,系统的考虑和兼顾的设计正是一个机电混合系统的设计准则。