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。     

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.     

推挽式线性驱动隧穿加速度计研究

介绍了隧穿加速度计的工作原理,设计了一种利用线性梳齿驱动、推挽式力平衡闭环控制的MEMS隧穿加速度计,采用体硅溶片工艺研制出了原理样机,由于结构和工艺简单,获得了较高的成品率,此技术还应用于隧穿陀螺仪和隧穿磁强计的研制.     

沟道角度对微加速度计性能的影响

通过设计与悬臂梁呈不同角度的沟道,对GaAs基金属半导体场效应晶体管(MESFET)的微加速度计的输出特性进行了初步测试研究。设计了GaAs MESFET的材料层结构并采用四梁固支结构。通过表面浅工艺加工出GaAs MES-FET微加速度计。将敏感单元GaAs MESFET嵌入四梁靠近根部的位置。设计了3种不同的沟道角度,分别与悬臂梁呈45°、90°、0°,通过实验定量分析了GaAs MESFET在受到外力时,不同沟道角度的GaAs MESFET加速度计的灵敏度,且0°时灵敏度最高。最终指导传感器的优化设计,为进一步提高微加速度计的灵敏度奠定基础。     

基于几何反弹簧结构的高分辨率MEMS加速度计北大核心CSCD

为了提高MEMS加速度计分辨率和灵敏度,提出并设计了一种基于几何反弹簧原理的新型MEMS加速度计结构。拟采用静电力将加速度计静态工作点设置在梁低刚度位置来提高灵敏度。首先通过理论计算和有限元仿真,分析了几何反弹簧结构实现准零刚度的原理,并优化了关键几何参数;其次基于免划片SOI工艺完成了MEMS芯片制作;最后搭建了开环测试电路进行测试验证。测试结果表明:施加25 V偏置电压后,加速度计灵敏度从46.3 mV/g提高至51.1 mV/g,线性度为0.99%。验证了静电偏置几何反弹簧结构通过降低刚度系数来提高加速度计的灵敏度的可行性。     

一种MEMS硅微三维加速度计设计

在压阻式硅微二维加速度计的基础上,提出了一种MEMS硅微三维加速度计.该加速度计微结构包括由四梁-柱体组成的二维水平检测单元和双T型垂直检测单元两部分,通过双T型检测单元和微型柱体与四梁检测单元检测空间三维方向的加速度值.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力学特性分析.最后对加工出的加速度计进行性能测试.测试结果表明,该加速度计3个方向频响曲线平坦、灵敏度高、线性度好,轴间耦合度小,X向灵敏度为2.17 mV/g,非线性度为0.63％,y向灵敏度为2.08 mv/g,非线性度为0.75％,Z向灵敏度为1.66mV/g,非线性度为1.13％.     

硅微型加速度传感器技术

介绍了硅微加速度计的基本原理以及国内外最新发展的几种硅微加速度计的结构形式，包括压阻式、电容式、隧道式等，分析了这些传感器的基夸特点，总结出它们在传感器性能方面存在的一些问题，提出了一些解决关键问题的措施，并对目前两种新的微机理：共振隧穿和介观压阻效应的原理和应用前景进行了论述。     

介观压阻效应及器件

介绍GaAs/AlAs/InGaAs双势垒超晶格薄膜结构的介观压阻效应以及几种基于此效应的新型传感器件。阐述介观压阻效应的四个过程,结合空气桥结构和欧姆接触技术,在[001]晶向半绝缘GaAs衬底上加工出来了GaAs/AlAs/InGaAs共振隧穿结构(Resonant tunneling structures, RTS),并对其进行了加压试验研究,发现其介观压阻灵敏度达到2.54×10–9 Pa–1,是硅压阻灵敏度的一个数量级以上。采用控制孔技术成功加工出了基于RTS的圆膜压力、四梁加速度和仿生矢量水声三种新型纳机电器件,并分别对其进行了压力罐、振动台和水下驻波测试。结果表明圆膜压力传感器具有较好的力电耦合特性;四梁加速度计的压阻灵敏度随RTS两端偏置电压可调,并在微分负阻区具有最大压阻灵敏度;矢量水听器具有良好的“8”字余弦指向性,灵敏度在1 000 Hz时达到184.6 dB,可以实现水平面内的水下声信号探测。     

微机械电容式加速度计的结构及检测技术研究

三明治式电容微加速度计由于工艺等原因可能存在局部缺陷而影响其对称性,严重的将导致不能正常工作,通常的检测方法难以检测到该缺陷.设计了一种具有自检功能的微加速度计,能够方便的通过外部电路对自身结构进行对称性检测.采用MS3110芯片对设计加工的微加速度计进行测试,测试前使用单片机将程序写入该芯片,调节其内部参数,使之工作在良好的线性度及灵敏度状态.实验结果表明加工出的微加速度计具有较好的对称性.     

基于MS3110的差分电容检测方法研究及其电磁兼容性设计

介绍了电容检测芯片MS3110的内部结构与基本原理,设计了MS3110的参数设置电路与程序,并利用MS3110设计了莱插齿式电容微加速度计的信号检测电路,并对检测电路的电磁兼容性进行了专门设计,在转台上对该微加速度计的性能进行了测试,测试结果表明:该微加速度计的测量线性度为1.3%,刻度因子为0.185 V/g.     

谐振器型声表面波加速度传感器的研究

利用压电石英晶体设计并制作 了一种谐振器型声表面波加速度传感器,产并对其性能进行了测试和分析。     

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。     

簧片式硅弹性膜应力分布的计算和加速度传感器的优化设计

为了提高我们已研制成功的新型簧片式硅加速度传感器的性能,用有限元法计算了不同形状和尺寸的质量块在４０ｇ值加速度作用下产生的应力分布,使我们优选了最佳的质量块设计方案,显著地提高了灵敏度,取得了与理论计算符合得很好的实验结果。     

Novel Resonant Accelerometer with Micro Leverage Fabricated by MEMS Technology

For the purpose of improving the precision of the inertial guidance system,it is necessary to enhance the accuracy of the accelerometer.Combining the micro-fabrication processes with resonant sensor technology,a high-resolution inertial-grade novel micro resonant accelerometer is studied.Based on the detecting theory of the resonant sensors,the accelerometer is designed,fabricated,and tested.The accelerometer consists of one proofmass,two micro leverages and two double-ended-tuning-fork (DETF) resonators.The sensing principle of this accelerometer is based on that the natural frequency of the DETF resonator shifts with its axial load which is caused by inertial force.The push-pull configuration of the DETF is for temperature compensation.The two-stage micro leverage mechanisms are employed to amplify the force and increase the sensitivity of the accelerometer.The micro leverage and the resonator are modeled for static analysis and nonlinear modal analysis via theory method and finite element method (FEM),respectively.The geometrical parameters of them are optimized.The amplification factor of the leverage is 102,and the sensitivity of the resonator on theory is about 62 Hz/g.The samples of the accelerometer are fabricated with deep reactive ion etching (DRIE) technology which can get a high-aspect ratio structure for contributing a greater sensing-capacitance.The measuring results of the samples by scanning electron microscopy (SEM) show that the process is feasible,because of the complete structure,the sound combs and micro leverages,and the acceptable errors.The frequency of the resonator and the sensitivity of the accelerometer are tested via printed circuit board (PCB),respectively.The result of the test shows that the frequency of the push-resonator is about 54 530 Hz and the sensitivity of the accelerometer is about 55 Hz/g.The amplification factor of the leverage is calculated more accurately because the coupling of the two stages leverage is considered during derivation of the analysis formula.In addition,the novel differential structure of the accelerometer can greatly improve the sensitivity of the accelerometers.     

基于高精度运算放大器的隧道式硅微加速度计信号处理电路

介绍了一种由高精度运算放大器及精密仪表放大器构成的隧道式硅微加速度计信号处理电路,通过分析信号处理电路的构成、信号输出的有效成分、放大器的性能指标及典型用法,得出高精度运算放大器OPA128LM使用在隧道电流的I-V转换部分所具有的独特优势.后级反馈放大电路采用精密仪表放大器AD620BR构成两级放大,其各项参数极大提高了信号读出电路的精密性.实验结果表明:基于以上方法的设计对信号处理电路的精度、灵敏度及线性度等性能有明显的改善.     

高量程加速度计动态线性校准系统

设计了双弹头霍普金森杆用于精确标定高g值加速度计的动态线性参数。基于一维应力波传播理论和弹性波叠加原理,分析了双弹头霍普金森杆为不同尺寸时对获取所需激励加速度信号的影响。利用ANSYS/LS-DYNA有限元仿真软件对不同设计条件下双弹头霍普金森杆的冲击效果进行了仿真分析。通过对不同影响因素的对比,确定了结构参数,设计了直径为30mm,长度为1 200mm的双弹头霍普金森杆,即高量程加速度计动态线性校准系统。利用设计的双弹头霍普金森杆对高量程加速度计进行了动态线性校准和试验验证,结果显示加速度计动态线性误差在5%以内,证明了设计的装置可对高量程加速度计进行动态线性校准,校准结果基本满足冲击校准的要求。     

High-shock silicon accelerometer with suspended piezoresistive sensing bridges

A high-shock 2000 g accelerometer with suspended piezoresistive sensing bridges has been designed, fabricated, and tested. Structural size of the accelerometer has been obtained through an optimal design process. Four resistors are electrically connected to form a Wheatstone bridge circuit. A sensitivity of 25.5 μV/g has been measured from the fabricated accelerometer with a nonlinearity of 0.2% in an acceleration range within 2000 g. The real-time response of the fabricated accelerometers accurately follows the reference accelerometer. The newly fabricated accelerometer has survived an over-shock condition of 4667 g.     

梳齿结构与振动梁复合的硅微谐振式加速度计非线性振动特性

硅微谐振式加速度计的非线性振动可以导致振动幅度噪声耦合到频率输出进而恶化器件的噪声性能,因此有必要对谐振式加速度计的非线性振动特性进行评估及优化,拓展线性振动范围。本文针对所设计的基于梳齿结构与振动梁复合的硅微谐振式加速度计进行了仿真与实验分析。首先对加速度计结构使用COMSOL仿真软件进行了非线性仿真分析,该方法通过在谐振梁的振动方向上施加一个静力,得到力与位移之间的关系,计算出非线性三次项系数k3,eff和线性系数keff的比值约为2.13×10^10 m^-2。然后,对双端固支音叉(DETF)进行扫频测试,得出DETF的非线性振动频响曲线。根据Duffing方程对实验数据进行拟合,得出器件两个DETF的非线性三次项系数k3,eff和线性系数keff的比值分别为2.24×10^10 m^-2和2.19×10^10 m^-2。仿真值与测试值的误差分别为5.2%和2.8%。实验结果与仿真值吻合得较好,印证了仿真方法的有效性和测试数据的可靠性。最后,对所设计的谐振加速度计进行非线性分析,当振幅小于35.4 nm时,DETF工作在线性区,可为后续谐振式加计的控制电路设计提供参考。     

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.