分布式质量块结构高g值加速度传感器仿真分析

针对航空航天、机电、石油等领域的高g值加速度监测需求,设计了一种分布式质量块结构的压阻式加速度传感器。运用敏感性分析和响应面方法对敏感结构模型优化,同时提升结构的固有频率和灵敏度;研究所构建模型在不同方向加速度作用下的应力分布特点,设计抗交叉干扰的传感器信号检测电路;分析结构的加工流程及封装工艺,有利于下一步制造应用。仿真结果表明：该传感器的量程为100 000g,灵敏度为2.18μV/g,一阶固有频率为157.82 kHz,理论上消除了横向交叉干扰,有效提升了传感器的性能。     

集成生物微环境测量CMOS传感芯片研究

基于标准0.6 μm CMOS工艺设计实现了单片集成可用于细胞外微环境溶液pH值和温度同时检测的混合信号生物传感芯片.利用多层浮栅结构场效应管作为pH值传感单元,在恒流恒压电路控制下得到与pH值成反比的电压输出.pH敏感器件与参比器件的差模输出方式有效减小了电路和溶液的噪声.pH值在1～13范围内,传感器平均灵敏度为35.5 mV/pH,线性度优于3.2%.芯片上还集成了与绝对温度成正比的温度传感器,可实时检测生物微环境溶液的温度变化,在25～100℃范围内,输出线性度优于1.7%,平均灵敏度为8.8 mV/℃.此外,构建了传感芯片的原型应用电路,对传感器的输出电压进行软件修正后以温度和pH值形式进行显示,以实现两个参数的实时监测.在25~70 ℃温度范围内,温度测量偏差在-0.6～+1.1 ℃以内,pH值的测量偏差≤±0.3 pH.该芯片具有一定的可重用性,既可用来研究温度变化对细胞微环境溶液pH值的影响,又可作为IP核兼容集成于相同工艺的其他传感器电路中.     

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。     

基于弓形梁增敏结构的FBG振动传感器研究

利用光纤光栅(FBG)随弓形梁弯曲变形的敏感特性,通过设计特制的增敏结构,研制了一种基于弯曲特性的FBG振动传感器.根据ANSYS数值分析和实验结果表明,在加速度0～5g、工作频率0～40 Hz范围内,传感器加速度特性曲线呈现良好对应关系,灵敏度可达458.1 pm/g,精度约0.002 g.该传感器系统采用双光栅形式实现了温度补偿,且在所测加速度范围内显示出较好的灵敏度和重复性,频响误差小,能够满足航空结构振动监测与控制需求.     

两维碰撞加速度传感器及其实用化

基于MEMS加工和模块化封装来制作用于碰撞冲击测量的加速度传感器.该传感器采用新型三梁-质量块敏感结构,在提高灵敏度的同时拓宽了频带范围.通过压阻效应形成惠斯通电桥,在500 g的量程下,灵敏度达到0.3 mV/g/5 V,固有频率15k Hz.传感器贴装在PCB板上,由经济实用的放大电路进行处理,可以实现两维的加速度测量,电压输出1～4 V,带宽500 Hz.传感器在车辆运输等实际环境下进行了试用,性能可靠稳定,具有良好的实用化前景.     

一种高量程加速度传感器的性能测试与分析

针对一种基于微梁检测结构的新型双轴MEMS面内高量程加速度传感器,通过马歇特锤冲击校准装置和霍普金森杆冲击校准装置,测试了传感器的灵敏度和频响特性。试验结果表明:该传感器敏感结构X轴方向的灵敏度为0.470±0.03μV/g,幅值误差±5%时,工作频带为15.5 k Hz;Y轴方向的灵敏度为(0.517±0.03μV/g,幅值误差±5%时,工作频带为16.9 k Hz。该加速度传感器实现了硅平面内2个轴向的高g值加速度信号测量,可以用于后期集成三轴高量程加速度传感器。     

多晶硅纳米薄膜牺牲层压力敏感结构设计

为使多晶硅纳米薄膜良好的压阻特性在MEMS(微机电系统)压阻传感器中得到有效应用,在设计牺牲层结构压力传感器芯片中探索性地采用了多晶硅纳米薄膜作为应变电阻,并给出这种传感器的设计方法。分析了牺牲层结构弹性膜片的应力分布对传感器灵敏度的影响,优化设计了量程为0~0.2 MPa多晶硅纳米膜压力传感器芯片的结构参数。有限元法仿真结果表明:在保证传感器灵敏度大于50 mV/(MPa.V)的前提下,零点温漂系数可小于1×10-3FS/℃;灵敏度温漂(无电路补偿)可小于1×10-3FS/℃.为高灵敏、低温漂、低成本的高温压力传感器集成化发展提供了一条可行途径。     

压阻式冲击硅微机械加速度传感器的温度补偿

给出了一种压阻式冲击硅微机械加速度传感器的温度补偿与实现方法.该方法采用串并联电阻来补偿加速度传感器的零位温度漂移,采用在电源后串联二极管来补偿加速度传感器的灵敏度温度漂移.具体实现时,采用高低温试验机对加速度传感器的环境温度进行变化,通过检测系统测量出4个压敏电阻在高低温时的电阻值,运用软件计算出补偿电阻值、补偿电阻在桥路中的位置以及串联二极管的数量,并根据计算结果构建出了带温度补偿的传感器检测电路.测试结果表明,这一方法能有效补偿加速度传感器的温度漂移.     

基于碳化硅材料的电容式高温压力传感器的研究

针对现有的硅基高温压力传感器不满足更高温度环境(≥500℃)下测试需求的问题,设计并制备了一种基于碳化硅(SiC)材料的电容式高温压力传感器。利用ICP刻蚀工艺和直接键合工艺实现了气密性良好的敏感绝压腔结构,结合金属沉积、金属图形化等MEMS工艺制备了感压敏感芯片。搭建了压力-温度复合测试平台,完成了传感器在0～600℃环境下压力-电容响应特性的测试。测试结果表明,在0～300 kPa内,该传感器灵敏度为4.51×10~(-3) pF/kPa,非线性误差为2.83%;同时测试结果也表明该传感器的温度漂移效应较低,0～600℃环境下电容变化量为8.50～8.65 pF。     

基于超弹性体材料的微型光纤法珀压力传感器

针对体内介入式医疗应用需求,提出一种基于超弹性体材料的微型光纤法珀压力传感器设计与制作方法。 通过理论分 析建立了适合超弹性体硅橡胶材料的 Mooney-Rivlin 力学仿真模型,对不同组分、厚度感压材料的受压变形状态进行了理论分 析,并获得优化的传感器材料及结构参数。 进一步提出微型光纤法珀压力传感器的制作方法,通过感压性能测试、温度影响测 试和体外血液压力测试,对比验证了不同参数传感器的感压性能。 结果表明,在感压材料直径 180 μm、厚度 250 μm 时,测压范 围 0~ 40 kPa 内传感器的压力灵敏度达到 154. 56 nm/ kPa,20℃ ~ 50℃大温度范围内引起的压力测量相对误差仅为 0. 36% ,温度 对压力测量的影响完全可忽略。 相比传统膜片式光纤压力传感器,基于超弹性体材料的微型光纤法珀压力传感器不仅尺寸小、 灵敏度高,还具有成本低、方便制作的技术优势。     

加速度计的频率特性研究

建立了一般加速度计摆组件的数学模型,分析了其工作原理,对该加速度计在不同工作状态下的频率特性进行了理论推导、分析研究和具体测试。该研究可为产品试验、使用和改进提供参考依据。     

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.     

激励脉冲宽度对加速度计冲击校准误差的影响

加速度计准静态校准要求激励信号的频率与加速度计谐振频率相比足够低,以减小校准误差.通过加速度计数学模型建立了激励加速度脉冲宽度、加速度计谐振频率和校准误差之间的关系式;针对Hopkinson杆冲击校准装置,理论计算和实验结果表明,激励加速度脉冲宽度决定于应力脉冲前沿宽度,受应力波弥散影响,而与加速度计安装座长度无关.为选用和产生满足要求的激励脉冲信号提供了依据.     

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。     

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。     

基于单片机的振动时效拾振器的设计

文章在对振动时效机理进行研究的基础上,设计了一种基于8051单片机的振动时效拾振器系统,该装置采用单片机控制,程序用C语言编写,使其具有控制数据采集、将数据从单片机传输到计算机等功能;计算机界面使用LabVIEW,实现扫频曲线绘制等功能。     

Experimental investigation into the effects of exciter motions on the primary calibration of single-ended accelerometer

It is widely known that in the primary calibration of accelerometers by using a laser interferometer, a device under test (DUT) and the laser interferometer should measure vibration at the same reference position. However, this is not applicable to single-ended accelerometers because of the limitation of their design. One way of overcoming this limitation is to measure the vibration at several positions on the exciter table surface which connects DUT to a vibration exciter. However this can present the effects of rocking motions of the exciter. Although the motions of vibration exciters are presented in several studied, the different model of exciters might have different characteristics. This paper aims to study the motions of an air-bearing exciter (model 2911) used at National Institute of Metrology (Thailand) in order to expose their characteristics, their effects on the calibration results and the measurement errors due to these effects. The motions of the exciter are shown in terms of magnitude and phase shift distributions of sensitivities. These can be obtained by measuring the magnitudes and phase shifts at several positions on the exciter surface. The effects of exciter motions are measured in terms of how much the magnitudes and phase shifts at each measured positions deviate from the average values. To illustrate these effects, parametric studies were conducted. The influences of four parameters, i.e. the angular positions of the laser points, the distance of the laser positions from the centre of the exciter surface, the number of measured positions to be averaged and the mass loading effect, were examined experimentally. The frequency of interest is between 10 Hz and 15 kHz.     

温度对无驱动结构硅微机械陀螺信号相位差的影响

在旋转载体用硅微机械陀螺的信号解调中,陀螺与加速度计信号的相位差起到至关重要的作用,必须考虑温度对陀螺与加速度计信号相位差的影响,以及温度对陀螺输出的影响.通过测试加速度计温度特性及陀螺温度特性,并将二者进行比较,研究了温度对陀螺与加速度信号的相位差的影响,证实温度对陀螺输出影响很小,温度对硅微机械陀螺的信号相位差影响很小.     

压电加速度计横向灵敏度比超差解决方法

通过长期对压电加速度计横向灵敏度的理论研究，又对标定出的大量数据进行分析对比，找出了产生横向灵敏度的诸多因素，进而指出了减小横向灵敏度的方法。