基于水银的电容式加速度计研究

探索一种基于新原理的加速度计,从根本上解决加速度计在弹性结构设计方面高灵敏度和抗高过载之间存在的矛盾;利用微滴水银作为对加速度敏感的弹性电极与硅片上电极构成电容式硅微加速度计,并可利用MEMS工艺来实现;通过建模仿真,水银电容加速度计的灵敏度要高于传统的MEMS电容加速度计;这种加速度计具有结构简单、对硅微加工工艺要求低、易于实现三维加速度测量的突出优点;对于冲击环境下的惯性测量有不可替代的作用.     

仿虾螯式抗冲击微加速度传感器设计

针对外弹道信息测量过程中,低量程微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)加速度传感器在上万g_n过载环境下的损坏问题,提出了一种仿虾螯式抗冲击微加速度传感器,可以实现抗过载30 000g_n、量程50g_n的指标要求。有限元仿真结果表明,在50g_n载荷作用下,加速度计敏感单元位移为0.99μm,灵敏度为0.124 pF/g_n;引入仿虾螯式抗冲击缓冲结构的加速度传感器在30 000g_n过载作用下承受的等效应力的最大值从1 022.5 MPa降低至84.326 MPa,有效地提高了该传感器件的可靠性。     

内端固定三轴梳齿电容式加速度计

基于多轴加速度计的构成方式,提出了一种新型的三轴向梳齿式电容加速度计。内部支撑梁与外部可动电极相连接的结构,在体积相同的条件下,增加了输出电容;采用完全对称结构,支撑梁与电极板等厚,增加稳定性的同时提高了抗过载能力;完全对称的梳齿分布,避免了水平向加速度的相互干扰;可动齿与不动齿的不对称结构,避免了水平向对z轴向的干扰。利用MEMS专业有限元软件ConventorWare对其进行静态分析、抗过载分析和模态分析,此加速度计在满量程状态下能安全工作,工作频率为94.1 kHz.     

微加速度计机械与电学一体化仿真模型

针对目前MEMS微加速度计机械和电路仿真各自脱节的现状,基于PSPICE软件,综合了敏感质量块机械、偏置电压静电力和接口电路3部分,提出了机械与电学一体化仿真模型。模型实现了敏感质量块大位移情形仿真,突破了已有仿真模型对该质量块的中点小位移近似。利用该模型,得到大位移情况下加速度计能承受的最大阶跃和脉冲加速度信号值,经过与经典理论公式比较,误差小于3%。进一步,通过在不同偏置电压开环模式下灵敏度仿真与实验值的比较,当敏感质量块处于小位移状态时,误差小于5%;处于大位移状态,小于10%。因此,仿真模型与经典理论公式以及实验值比较接近,可应用于微加速度计的仿真和物理过程再现,从而有助于该类微机械电子器件的进一步研究。     

HEMT高灵敏度微加速度计的设计与测试

根据压阻传感原理设计了GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)器件与Si基悬臂梁-质量块结构集成的微加速度。通过ANSYS结构应力仿真,GaN基HEMT作为敏感单元置于微悬臂梁结构根部的应力最大处。同时对微加速度计的关键研制工艺进行了设计和研究,成功制备出具有力电耦合特性的传感结构。并且测试了微结构在静态0～10g的惯性测试,结果表明GaN基HEMT器件具备明显的力电耦合效应,该微加速度计的灵敏度为0.24 mA/g,线性度为12.4%,适合研制高灵敏度的微加速度计。     

基于柔性铰链机构的谐振式微加速度计设计制作

为设计制作高灵敏度、高稳定性的谐振式微加速度计,基于微制作工艺,采用柔性铰链机构和双端固定音叉谐振器设计了微加速度计结构;分别用解析法和有限元方法分析了加速度计的理论灵敏度,同时进行了谐振器结构优化设计;根据检测原理设计制作了测试用电路板,给出了开环谐振频率测试结果以及闭环时加速度测试结果。测试结果表明所设计的谐振式加速度计工作稳定,灵敏度约为55.03Hz/g,分辨力约为182×10-6g。     

一种新型的压阻式硅微二维加速度计的设计

以压阻检测技术为基础并结合硅微MEMS加工技术设计了一种二维加速度计微结构,期望利用该新型的结构提高加速度计的灵敏度,实现二维方向的加速度检测.该加速度计采用四个相互垂直的悬臂梁支撑中间有刚硬柱体的结构,通过利用合理布置的压敏电阻构成的惠斯通电桥测量水平面内两个方向的加速度.建立了该结构的数学模型并用有限元分析软件ANSYS对敏感弹性元件进行分析.最后对加工出的加速度计进行了相关的测试.测试结果表明:该加速度计水平面内两个方向的灵敏度高、线形度较好,X向灵敏度为0.755 2 mv/g,线性度为0.999 67,Y向灵敏度为0.683 3 mv/g,线性度为0.999 66.     

抗过载环形 MEMS 固体波动陀螺设计加工与测试

本文针对传统MEMS振动陀螺在经历高过载过程无法存活且冲击前后参数变化大的问题,开展了抗高过载MEMS固体波动环形微机械陀螺设计、加工和测试方面的研究工作。首先,提出了全对称梁的陀螺结构形式,该结构能够有效的减小冲击过程在结构中造成的应力残留,配合止挡机构以及灌封技术能够提升陀螺在冲击过程中的存活能力,并在此基础上推导了陀螺的动力学方程和敏感轴冲击振荡运动函数,指出了敏感轴冲击模态的固有频率越高、品质因数越小则越有利于提高陀螺在敏感轴上的抗冲击特性。其次,利用有限元分析软件对陀螺结构进行了模态分析和冲击特性仿真,结果显示在15 000 g@10 ms的冲击作用下,陀螺的最大位移和应力分别为9.46μm和99.6 MPa,保证了陀螺结构具有较好的抗冲击裕度。再次,利用较为成熟的玻璃-硅键合和深硅刻蚀工艺实现了陀螺结构的加工,结合陶瓷封装实现了陀螺结构的真空封装,并基于驱动闭环和检测开环回路搭建了陀螺的测试系统。最后,在实验室环境下利用冲击台实现了对陀螺样机的冲击测试,冲击过程(脉宽0.6 ms)出现了多个5 000 g以上的峰值,最大峰值为16 050 g,陀螺响应时间约为1 s,冲击前...     

硅三明治型微机械加速度计温度漂移与敏感结构热膨胀关系研究

针对硅基三明治型微加速度计的温度漂移现象,基于力学和热学原理,分析了微加速度计敏感部分关键结构弹性梁、敏感质量块在温度升高时的热膨胀与力学平衡关系变化。结合微加速度计的闭环反馈工作方式,导出了其输出改变,指出由于弹性梁、敏感质量块在温度升高时热膨胀引起的输出变化小于0.002gn/10℃,同时,实验表明微加速度计输出随温度的变化为(0.1~0.2)gn/10℃。两者对比的结果显示,由于温度变化而引起的敏感结构热膨胀导致的输出改变不是微加速度计产生温度漂移的主导原因,研究结果为三明治型微加速度计稳定性与漂移的进一步研究提供了参考。     

一种微机械谐振式加速度计的自激驱动控制

为了研制谐振微机械加速度计,文中介绍了静电刚度的谐振式微加速度计的工作原理,并根据闭环控制要求,建立了基于自激原理的系统分析方程,利用平均周期法分析了系统稳定性和振动幅度稳态平衡点。理论分析确定了系统起振条件和相位偏差对闭环振幅和频率的影响。对基于体硅溶片制造和真空封装的谐振微加速度计,自激闭环测试结果表明检测电压1 V时,灵敏度为18 Hz/g;检测电压5 V时,灵敏度为58 Hz/g,10 min内闭环谐振频率最大漂移0.2 Hz,可分辨加速度约3.5 mg.     

测试压阻式三轴高g加速度计的霍普金森杆法

研究了一种压阻式三轴高g加速度计的霍普金森杆法测试实验及其数据处理方法。被测加速度计安装于标定杆的端部,从高压气舱中射出的子弹高速撞击标定杆,所产生的冲击以应力波的形式在标定杆中传播,并可以通过安装在杆中部的应变计记录。通过比较应变计的输出和加速度计输出的积分,可以计算得出被测加速度计的灵敏度。利用这种标定方法,测试了一种压阻式单片集成三轴高g加速度计的Z轴单元和X轴单元的灵敏度,测试结果分别为(2.18 μV/g)/5 V和(2.15 μV/g)/5 V。这一测试结果与利用自由落杆测试系统得出的测试结果基本吻合,表明本文所采用的测试系统及实验数据处理方法是可信的。     

Tunnelling accelerometer

Due to the strong distance dependence of tunnelling current on electrode spacing, tunnelling can be used to measure sub-ångström-scale displacements. The sensitivity and relative simplicity of this technique make it well suited for applications in highly sensitive accelerometers. We have constructed a cantilever-type accelerometer in which a mass-loaded lever deflects freely in response to accelerations. Deflection is measured by tunnelling in the constant current mode between an electrode on the lever and a tunnelling tip positioned by a piezoelectric transducer. Using a lever/mass system with a force constant of 2·3 × 10⁴N/m and an effective mass of 2·4g, we obtained a sensitivity of 79***V/g with a bandwidth greater than 200Hz. Accelerations smaller than 10^?4g could be detected using this device.     

高低温环境对三轴高 g 值加速度传感器灵敏度变化影响研究

针对高低温环境对高 g 值加速度传感器灵敏度影响机理不清的问题,通过建立两端固支的敏感单元数学模型,得到了 传感器灵敏度与敏感单元纵向应力、横向应力的关系。 通过热-力耦合仿真分析得到了传感器灵敏度与温度间的关系,在 -40℃ ~ 50℃范围内,传感器灵敏度随温度的增加而减小,且在-40℃ ~ 20℃ 范围内灵敏度变化较快,在 20℃ ~ 50℃ 范围内灵敏 度变化较慢。 通过传感器高低温试验得到高低温环境下传感器灵敏度数据,-40℃条件下灵敏度大小为 0. 523 μV/ g;50℃ 条件 下灵敏度大小为 0. 516 μV/ g。 与仿真结果进行对比,验证了温度变化对传感器灵敏度的影响规律,为提升高 g 值加速度传感 器在高低温环境下测量精度具有理论参考意义。     

采用微机械加工技术的微光学加速度计

表面微机械加工技术是实现单片集成微光学系统的一种新方法。本文介绍一种新型的采用微机械加工技术的微型光学加速度计,包括设计、关键器件的加工和测试,它是基于光线和光闸相互作用引起通光量变化的工作原理。这一微光学加速度计包含一个2μm厚的多晶硅光闸,光闸采用微弹簧支撑在基片上,微弹簧是长度为200／μm的多品硅褶曲梁,硅基片和微结构之间所夹的牺牲层采用氢氟酸湿法刻蚀去除。光闸设计为一个质量弹簧系统,对加速度力产生响应。     

高g值压阻式微加速度计设计

利用加速度计的机械变形导致电阻的变化,设计了一种测量高g值的加速度计。在CoventorWare软件下建立了加速度计的加工工艺流程和实体模型。利用压阻分析模块MemPZR,采用FEM分析方法,通过改变压阻块在悬臂梁上的位置,得到压阻块位置与器件输出电流之间的关系,找到了压阻块在悬臂梁上的最优放置位置。改变压阻块的电导率,验证了器件的灵敏度变化与压阻率变化的趋势是一致的。在20 kg加速度的输入下,得到了压阻块应力的分布,以及电流的大小及分布,和悬臂梁的应力大小及分布,验证了加速度计的抗过载能力。     

ADXL320加速度计性能参数的标定实验

本文以美国ADI公司生产的±5g双轴模拟输出加速度计ADXL320为例,介绍了MEMS微加速度计的工作原理及其输出系数标定试验,并对其试验结果进行了数据处理和分析。     

汽车安全气囊智能控制系统设计

对汽车安全气囊及控制系统进行了研究，提出一种安全气囊智能控制系统设计方案。该方案采用了加速度计和单片机控制技术，实现安全气囊及时准确触发，提高了安全气囊系统可靠性，保证汽车在发生正面的剧烈碰撞时乘员不受到伤害。     

微惯性测量器件的标定方法研究

在捷联惯性航向姿态测量系统中,微惯性器件是核心部分,陀螺和加速度计的精度直接影响整个系统的精度.详细给出了惯性测量器件的标定方法,利用软件来补偿器件的误差,从而改善系统性能.     

Fabrication and measurement of high-g MEMS accelerometer

A high-g beam-mass structure accelerometer was designed. In this structure, by means of KOH back etching on the mass, V-groove structure was fabricated on the backside of the mass, so the weight of the mass and also the relative distance between the mass center and the neutral plane were all decreased. With the thin mass structure, we can take advantage of both beam-mass structure and flat film structure ; the fabrication process is also simple. By means of Hopkinson shock test system, we did the accelerometer calibration. According to the test result,the sensitivity of the MEMS accelerometer is 0.71 μV/g, which keeps in accordance with the theoretical calculation. After a 200 000 g shocking test, the micro structure worked as usual, so this design can satisfy the requirements of high shock, seriously vibration test environment.     

SAW加速度计量程调整及计量标定方法研究

提出了用声表面波滤波器测知加速度方向和大小的方法，研究了电容器中的静电吸引力对加速度计敏感质量块的位置稳定作用，以及用它扩大悬臂梁式加速度计量程的原理。用SAW滤波器和电容器中的静电吸引力扩大和调整了悬臂梁式基本加速度计的量程之后，需要对量程调整后的加速度计测量值进行校准和计量标定。本文利用精密离心机转速与其向心加速度之间的对应关系对SAW加速度计的测量数据进行了计量标定。