基于PZT管支撑结构的三轴加速度计设计及实验误差分析

以提升毫米尺度三轴压电加速度计灵敏度为目标,设计了以3个长度12 mm轴向极化的PZT管作为敏感和支撑结构的三轴加速度计,给出了空间加速度信号的解算方法。通过3个PZT管关于器件结构中心轴对称布置,该加速度计实现了对三轴加速度大小和方向的精确解算。数值仿真得到了3个PZT管在[100, 1 000]Hz加速度的输出电压幅频特性曲线及器件三轴灵敏度。研制了三轴传感器样件,实验表明其x、y、z轴灵敏度分别为535、541、542 mV/g,三轴灵敏度标准差为3.8。系统分析了加工误差对实验结果的影响程度,分析并解释了实验与仿真数值间存在误差的原因,为三轴加速度计敏感与支撑结构的一体化设计提供了借鉴。     

一种新型差动式压电加速度传感器

设计了一种新型的差动式压电加速度传感器。介绍了传感器的结构和工作原理,推导了传感器的数学模型,并分析了传感器惯性质量块和压电元件的质量对其输出特性的影响。然后,分析了传感器处理电路的结构,推导了该电路的设计指标。实验结果表明,该传感器采用单个惯性质量块实现了对加速度信号的差动式测量,其结构简单、重量轻、易于加工制造、抗干扰能力强;线性度为0.1%,是普通加速度计的1/2;频率响应误差为1%;重复性为1.27%;测量灵敏度是普通加速度计的2倍,基本达到了设计的目的。     

多晶硅纳米膜压阻超薄微梁加速度敏感结构

随着微机电系统(MEMS)技术的迅速发展,硅基加速度传感器已经得到广泛应用。但在敏感结构设计中,普遍存在灵敏度与固有谐振频率相互制约的矛盾。为此,采用多晶硅纳米膜作应变电阻,设计了300 nm超薄微梁加速度敏感结构。这种结构的设计改善了灵敏度与谐振频率之间的矛盾,使两者乘积值提高了30余倍,从而使压阻加速度计的性能得到大幅提升。     

基于新型压电换能器的加速度传感器研究

针对以压电陶瓷作为敏感元件的加速度传感器灵敏度低的特点,研究了一种以钹式压电换能器为敏感元件的加速度传感器。利用有限元分析软件ANSYS分析钹式换能器结构参数与其电压输出特性的关系,并根据ANSYS优化的结构参数制作了加速度传感器样品。实验表明,基于钹式换能器的加速度传感器的灵敏度是传统压电陶瓷加速度传感器约39倍。     

交叉簧片柔性铰链设计

针对某光学仪器对光学元件柔性支撑的要求,提出了一种新型交叉簧片型柔性铰链,利用卡氏第二定理研究了设计方法。首先,利用卡氏第二定理推导交叉簧片型柔性铰链的柔度计算公式,确定铰链的轴向刚度与转动刚度,分析了直梁长度、直梁高度和空心圆柱壁厚对其刚度的影响;然后,进行了实例设计,并利用有限元软件进行了分析;最后,搭建光学测试平台,对实例进行了转动角度和转动刚度的测量。结果表明：解析解、仿真解和实验测量数据一致性较好,最大相对误差为8.7%。使用卡氏第二定理作为设计工具,设计者可根据交叉簧片柔性铰链的刚度与结构应力等要求确定几何参数,而且交叉簧片柔性铰链的设计为其他铰链的结构形式提供了新的思路。     

梯形变截面梁蟹腿加速度计系统设计

结合蟹腿加速度计系统动态响应、稳定性和灵敏度对支撑梁刚度的要求,设计并优化了一种梯形变截面梁,满足加速度计的不同方向刚度要求。建立加速度计的动力学模型,得到系统动态响应性能参数与梁刚度关系;建立梯形变截面梁纯弯曲的数学模型,推导出梯形变截面梁刚度和尺寸关系;分析强度对尺寸要求;通过对加速度计系统稳定性和灵敏度分析,对梁结构提出了要求。在非检测方向同等刚度条件下,梯形变截面梁与等截面梁相比,危险截面处应力相当而检测方向刚度减小,系统灵敏度提高,提高系统动态输出特性,质量大幅减轻。     

新型隧穿磁强计结构－多梳齿结构

水平式隧穿磁强计在应用中,直梁所受的最大应力超出其许用应力出现直梁断裂的现象,同时由于所需驱动电压较高,限制了磁强计的应用范围。文中优先考虑梁内部应力对隧穿磁强计直梁尺寸进行设计,并改变其结构,采用新型的隧穿磁强计结构多梳齿结构,然后采用Ansys验证了改进后结构的正确性,同时对驱动电压和理论灵敏度进行了计算。研究结果表明：在保证直梁正常工作的前提下该设计可将磁强计所需的驱动电压降低到16．5V、在文中设计宽度下灵敏度较原宽度提高了1．35倍。     

压阻式高固有频率Z轴加速度敏感结构

基于微机电系统(MEMS)技术的加速度传感器因其性价比高、易于集成化而得到广泛应用,但在普通MEMS加速度敏感结构中仍然存在灵敏度和固有频率相互制约的弱点。为此,文中优化设计了一种压阻式新型加速度敏感结构,该结构在弹性梁加质量块的基本结构上引入了敏感微梁,在保证高灵敏度的同时,显著提高了固有频率。其灵敏度与固有频率的乘积可比普通MEMS加速度计提高25倍以上。     

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。     

多交叉曲梁簧片柔性铰链的力学建模与性能分析

针对直梁型多交叉簧片柔性铰链难以兼顾大转角、低刚度的问题,设计了一种多交叉曲梁簧片柔性铰链。采用圆弧曲梁簧片减小变形应力和转动刚度,在纯转矩驱动条件下具有高转动精度和大转角行程。推导了圆弧曲梁簧片的变形应力计算方程,建立了柔性铰链的大变形力学分析模型,并通过转动刚度实验和变形应力仿真计算验证了理论模型的准确性。进一步分析了半径系数、簧片曲率和位形角等设计变量对柔性铰链驱动转矩和变形应力的影响关系,提出了同时减小转动刚度和变形应力的设计方案,确定了使柔性铰链获得零刚度特性和负刚度特性的设计变量组合。所设计的柔性铰链结构及其性能分析结果可为新型大行程柔性铰链的设计提供参考。     

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。     

用于矢量水听器的加速度敏感结构

同振式矢量水听器中常用的商用压电加速度计具有质量较大的缺点,限制了矢量水听器的性能提升。为了解决该问题,设计了一种三轴加速度敏感结构,采用厚度剪切压电效应,具有质量轻、灵敏度高等优点。该加速度敏感结构的质量仅为0.039 kg,灵敏度在200 Hz处约为3 000 mV/g,工作频段为20～2 000 Hz,工作频段内最大横向灵敏度比小于8%。将该加速度敏感结构安装在球形耐压矢量水听器中进行测试,其直径为72 mm,x,y,z通道在200 Hz处的等效声压灵敏度级分别为-191.6,-191.4和-191.8 dB,具有良好的余弦指向性,各通道一致性较好,证明其适合应用在矢量水听器中。并与安装商用加速度计的矢量水听器进行对比,证明其能够有效降低矢量水听器的平均密度,提高灵敏度。     

常温下硅微谐振加速度计零偏稳定性的提高

考虑环境温度会影响硅微谐振加速度计(MSRA)的测量精度,本文研究了谐振梁的频率漂移及抑制方法以便提高其在常温下的零偏稳定性。针对结构热膨胀导致的应力进行了建模仿真,并根据仿真结果优化设计了一种低热应力的双端固支梁的结构来降低热膨胀系数不匹配带来的频率漂移。实验测得新结构的单梁谐振频率的温度系数从典型结构的约30Hz/℃降为-1.5Hz/℃,与仿真结果-1.14Hz/℃基本一致。为了进一步提高该加速度计的零偏稳定性,设计了一种高精度测温电路用来补偿温漂,该电路测温灵敏度为96.25mV/℃,测量噪声约为0.000 2℃。实验结果表明,采用优化后的结构结合线性温度补偿的方法,可使该硅微谐振加速度计的1h零偏稳定性在常温下达到10μg以下,比改进前实验室获得的52μg水平提升了80%,满足了高精度加速度测量的要求。     

基于NiTi合金丝的反射镜柔性支撑结构的应力补偿

针对大口径反射镜柔性支撑结构中柔性槽根部的应力集中问题,提出将NiTi记忆合金丝复合于柔性槽周边的结构方案,借助其预应变产生的拉应力来降低柔性槽根部的应力并保证支撑结构柔性。首先,建立了柔性槽根部的应力分布方程,得出了柔性槽危险截面位置。然后,建立了NiTi合金丝的一维本构方程,设计了桥型和U型两种复合方案,并对其进行了有限元分析。结果表明,采用U型复合的柔性支撑结构的应力改善明显优于桥型复合结构,且对结构柔性影响较小。以NiTi合金丝的拉力F为设计变量,以支撑结构的最大应力p及变形量δ为优化目标,对U型复合结构进行了参数优化设计。优化结果表明,在F为200N时有最优解,p由76 MPa降到37.9 MPa,δ由0.031mm微降到0.028mm,并且最大应力位置偏离柔性槽根部危险区域。对所提出的U型复合方案进行了随机振动试验,试验结果表明,该应力补偿设计有效降低了柔性支撑结构的最大应力。     

压电陶瓷驱动器装夹机构设计

采用直圆柔性铰链支撑的复合平行四杆机构,设计了一种压电陶瓷(PZT)驱动器的装夹机构.该机构具有导向精度稳定、响应速度快、分辨率高和无耦合运动等优点.从力学理论出发推导了柔性铰链刚度的简化计算公式,运用参数化的分析方法求得了柔性铰链结构参数对装夹机构应力、刚度及有效行程的影响.实验测得刚度和有效行程的理论计算误差分别仅为3.9%和1.4%,表明了该设计方法的可靠性与有效性.     

四种柔性T型联结节应力分析

分别将倒圆角直梁型、椭圆直梁复合型、抛物线直梁复合型及双曲线直梁复合型柔性铰链应用于柔性T型联结节结构中,采用结构实体单元SOLID92建立各柔性T型联结节的有限元模型,建立相应的边界条件对其承载能力进行研究。结果表明,(1)由椭圆直梁复合型柔性铰链构成的柔性T型联结节的承载能力最强;(2)该柔性T型联结节的最大弯曲应力、最大扭转应力和最大拉应力主要取决于最小厚度,且各应力均随宽度和最小厚度的增大而减小,这一规律与椭圆直梁复合型柔性铰链的各结构参数对其最大弯曲应力、最大扭转应力和最大拉应力影响规律的研究结果一致。     

高固有频率压阻加速度敏感芯片的结构与特性分析北大核心CSCD

在悬臂梁-质量块MEMS加速度敏感结构的基础上,为提高其固有频率,拓展其应用领域,提出了一种带有直拉直压微梁的新型压阻式加速度敏感芯片,通过在结构中引入敏感微梁,达到均衡提高固有频率和灵敏度的目的。使用有限元法对结构的特性进行了仿真分析,结果表明该结构和普通MEMS加速度敏感结构相比,在保证较高灵敏度及良好线性输出的前提下,显著提高了固有频率,可达其87倍以上,同时改善了过载能力,可提高6倍以上。     

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.     

倒圆角直梁型柔性铰链应力分析

为研究倒圆角直梁型柔性铰链的内部应力,利用材料力学的相关知识推导出该型柔性铰链的弯曲正应力和拉/压应力计算公式。采用变截面梁单元建立该型柔性铰链的有限元模型,在一端固定,另一端承受力矩或力的边界条件下,计算分析该型柔性铰链的应力;将有限元解与所推导出的解析解进行比较,验证所推导应力计算公式的正确性。根据所推导出的应力公式,讨论倒圆角直梁型柔性铰链的内部应力与其各结构参数之间的关系。     

快速控制反射镜两轴柔性支撑平台刚度优化设计

基于椭圆弧柔性铰链兼顾了直梁型柔性铰链运动范围大和圆弧型柔性铰链运动精度高的特点,设计了基于椭圆弧柔性铰链的二维快速控制反射镜系统两轴柔性支撑平台。为使柔性支撑平台快速响应性好,即使其低阶固有频率最大化,对该柔性支撑平台进行了结构优化设计。理论推导了单个柔性铰链最大刚度与许用应力、转角和铰链参数的理论计算公式。然后,采用集总参数的分析方法,得出了两轴柔性支撑平台低阶最大固有频率的理论计算公式。由公式可知:在转动惯量一定的情况下,低阶固有频率最大化即为工作方向刚度最大化。最后,通过有限元仿真和实验检测验证了理论计算的准确性,得到的结果显示:柔性支撑平台的最大固有频率和最大应力的理论值与仿真值的相对误差小于5%,平台工作刚度的理论值与仿真值、实测值的相对误差分别为3.86%和5.75%。仿真和实验结果表明:利用本文推导的理论公式进行柔性支撑平台刚度优化设计,既可以满足工程设计要求,又能省去繁杂的有限元计算。