一种电容式微加速度计的结构设计和工艺仿真

微硅电容式加速度计是目前微硅加速度传感器发展的主流,本文在硅-玻璃阳极键合工艺同深槽刻蚀工艺相结合的加工技术基础之上设计了一种电容式微加速度计,该结构将两种改变平行板电容量的方式有效的结合在一起,提高了结构的灵敏度并具有较好的线性度.最后,对所设计的结构进行了工艺仿真,通过虚拟工艺仿真结果与设计进行比较,论证了结构的基本可行性.     

电容式力平衡加速度计的设计

电容式微机械加速度计是一种将加速度转换成差分电容、通过检测差分电容的变化来检测加速度大小的一类高精度的惯性传感器.利用开关电容电路实现C-V变换,利用反馈静电力实现力平衡闭环控制,设计了一种电容式微机械加速度计.通过构建电容式加速度传感器及外围电路的数学模型,推导了闭环工作的系统函数.并对实际系统进行研制,最后给出了整个系统的测试结果.     

六轴加速度计的结构原理与阻尼振动设计

静电悬浮加速度计为当前国际上精度最高的一类加速度计 ,本文的设计目标为 :量程 12 .5 μgn,灵敏度 1ngn,带宽 0 .1Hz。从静电悬浮加速度计的敏感结构设计出发 ,详细地论述了该类加速度计的电容位移检测原理和微弱加速度检测原理。通过适当的电极配置设计 ,并对六路差分电容输出进行适当的线性组合 ,探讨了该加速度计的六轴检测功能 (三个线加速度和三个角加速度 )。随后对该加速度计的静电悬浮支承系统进行了振动学分析 ,采用 1atm的空气阻尼 ,得出系统的阻尼振动频率为 0 .82 5 Hz,输出采样间隔为 4 s。本文的设计对研制高精度多轴加速度计具有重要参考价值。     

力平衡框架结构加速度计的设计

本文提出了一种基于ICP刻蚀以及静电键合工艺的新型微机械加速度计结构,并通过MATLAB软件对该加速度计系统进行了仿真.这种框架结构可以有效地增大结构静态电容,以便在闭环工作时能产生更大的静电力.它的整体尺寸为2 800μm×3000μm×60 μm,结构惯性质量为0.14 mgn,静态电容为3.618pF,抗过载能力超过5000 gn.通过系统仿真,该加速度计的电压灵敏度为90 mv/gn,量程为±50 gn,系统带宽是10 kHz.     

电容式微加速度计开环模式非线性模型

针对当前电容式微加速度计量程不高、开环模式非线性误差大的特点,根据力学理论和电路读出原理,并基于非线性特性中最大可测量加速度、初始工作点和吸合点与动定电极间距d的变化规律,提出了电容式微加速度计非线性模型.模型指出,随着输出电压的增加,可测量加速度近似成线性增加,在靠近最大可测量加速度αmax时斜率增大,其后随输出电压的增加而减小至吸合点;αmax由d和微结构梁弹性常数与质量之比λ决定,且d的作用优于λ;d在小于初始工作点时加速度计不能工作,该点由传感头参数η决定,且η的最佳取值范围为1×1019～2×1019,此时准静态条件下吸合点大于整个动电极行程的95%.该模型的提出对开环式加速度计的非线性误差纠正提供了理论支持,对加速度计的结构设计具有参考价值.     

MEMS加速度计信号光电检测与电容检测的噪声分析

在高精度MEMS扭摆式加速度计电容检测和光电检测实现原理的基础上,分析了该加速度计热机械噪声和电学噪声特性.该加速度计结构在品质因数Q=1和Q=85时,热机械噪声分别为2.4μgn/根号Hz和0.28 μgn/根号Hz.对于电学噪声,电容检测的电学噪声为3.27 μgn/根号Hz,光电检测在只考虑电学噪声时能分辨的最小加速度可达0.05 μgn.对比得出对于扭摆式加速度计结构,光电检测具有比电容检测更小的系统总噪声.     

基于MXT9030的微电容加速度计系统搭建

阐述了三明治式电容微加速度计的工作原理,并在此基础上介绍了一种具体的三明治式微加速度计的设计:采用一种通用的电容读取电路MXT9030实现对电容式微加速度传感器的信号检测,通过微控制器的控制,调节MXT9030电路的内部参数,使加速度计系统具有良好的线性度及灵敏度。实验结果表明,该设计可满足较大范围内的电容差分信号输入,并具有良好的检测灵敏度和线性度。     

石英挠性加速度计中高精度低零偏伺服电路的设计

介绍了一种用于石英挠性加速度计的伺服电路.通过对内部的差动电容检测器进行激光修调,使该伺服电路的零偏电流小于1.33uA.低零偏电流的特点大大地提高了本伺服电路响应加速度时输出电流的精度,即提高了所检测加速度值的精度.     

硅微机械二维加速度计的结构设计

提出了一种新型的双轴电容式微机械加速度计的结构形式。采用1个质量块敏感2个正交方向的加速度,设计的弹性支撑结构巧妙地实现了正交方向的解耦,且结构稳定性好。详细讨论了该加速度计的工作原理,并利用有限元软件对敏感结构进行了静态和模态分析,从理论上验证了所提出的双轴电容式微机械加速度计整体结构的可行性。     

一种双轴电容式微机械加速度计

提出一种双轴电容式微机械加速度计的结构形式.采用一个质量块敏感两个正交方向的加速度,设计的弹性支撑结构巧妙地实现了正交方向的解耦,且结构稳定性好,以梳齿电容实现差动的静电驱动、电容检测.利用MATLAB软件对敏感结构参数、性能参数进行了计算、分析,用ANSYS仿真软件对敏感结构进行了静态和模态分析,从理论上验证了所提出的双轴电容式微机械加速度计整体结构的可行性.     

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。     

基于高冲击激励的加速度计参数辨识的研究

加速度计的动态校准在国内外计量领域越来越受到重视,参考国内外最新的加速度计动态校准方法,主要阐述了基于高冲击激励下加速度计动态特性参数辨识的问题。该方法根据加速度计的物理结构建立了其状态空间模型,利用外差式激光干涉仪测量并经过相应处理得到了输入加速度计的激励信号。利用得到的输入-输出数据,通过最小化其状态空间模型的预测误差序列得到了被校加速度计的动态特性的参数,通过在不同的冲加速度峰值下进行了试验并比较表明该方法的有效性。     

一种新的角加速度估计方法及其应用

首先提出了一种新的基于卡尔曼滤波及牛顿预测的角加速度估计方法,在已知电机驱动系统位置信息的情况下,利用卡尔曼滤波实时估计系统的角加速度;同时采用牛顿预测方法解决估计算法的滞后问题,进一步提高了估计加速度的响应频带．以此为基础,本文进一步分析了利用估计加速度进行反馈控制以增强系统对外扰动的鲁棒性问题,提出了加速度反馈控制策略的设计准则并分析了稳定性．在一个直接驱动机器人关节上针对上述加速度估计及控制方法进行了实验研究:将估计加速度的实验结果与实测加速度(利用加速度计)的实验结果进行了比较分析,从而定量地揭示出估计加速度及其反馈控制在实际系统中的可行性及有效性．     

Single- and Triaxis Piezoelectric-Bimorph Accelerometers

This paper describes the novel single- and triaxis piezoelectric-bimorph accelerometers that are built on parylene beams with ZnO films. The unamplified sensitivity and the minimum detectable signal of the fabricated single-axis accelerometer are measured to be 7.0 mV/g and 0.01 g, respectively, over a frequency range from 60 Hz to subhertz. The linearity of the sensitivity as a function of acceleration is measured to be 0.9% in the full scale. A highly symmetric quad-beam bimorph structure with a single proof mass is used for triaxis acceleration sensing and is demonstrated to produce high sensitivity, low cross-axial sensitivity, and good linearity, all in a compact size. The unamplified sensitivities of the X-, Y-, and Z-axis electrodes (of the triaxis accelerometer) in response to the accelerations in X-, Y-, and Z-axes are 0.93, 1.13, and 0.88 mV/g, respectively. The worst-case minimum detectable signal of the triaxis accelerometer is measured to be 0.04 g over a bandwidth ranging from subhertz to 100 Hz. The cross-axial sensitivity among the X-, Y-, and Z-axis electrodes is less than 15% in the triaxis accelerometer. The theoretical analyses of the charge sensitivities and resonant frequencies along with the effects of residual stress on the charge sensitivities are presented for both the single- and triaxis accelerometers.     

一种基于谐振音叉的新型差动式硅微加速度计设计与分析

为提高谐振式加速度计灵敏度、稳定性以及减小加速度计体积,本文提出一种结构新颖的谐振式硅微加速度计。采用一级微杠杆机构对质量块惯性力进行放大,通过一对差动布置的双端固支音叉谐振器的固有频率变化检测惯性力,从而实现对加速度的测量。该加速度计可采用体硅加工工艺,给出了总体工艺流程。采用解析和有限元分析方法对加速度计敏感元件进行了分析,有限元分析结果与解析分析结果相吻合,有限元分析可得加速度计灵敏度为57.4 Hz/gn。分析结果表明该加速度计结构具有高灵敏度、高温度稳定性和小体积等优点。     

基于SOI的三轴压阻微加速度计的设计

为了解决现有三轴加速度计机械精度差的问题,提出了一种基于SOI的单质量块三轴压阻微加速度计.采用四边四梁结构,根据梁上扩散的压敏电阻在分别受到三个方向惯性力作用时变化量不同设计三个方向的惠斯通电桥,实现三维加速度矢量的检测.运用ANSYS软件对结构进行建模仿真,最后设计了一套可行的工艺流程.     

车载光电测量平台晃动监测数据分析

车载环境下由于加速度计自身和外界环境干扰等因素的影响,真实的加速度信号叠加了大量干扰信号。针对加速度计信号特点,采用小波阈值去噪对加速度计信号进行了滤波处理。建立一个振动信号模型,将真实的加速度计的输出噪声作为干扰成分叠加到该模型上,选择较优的小波参数,对仿真信号进行小波阈值去噪,去噪后信噪比（SNR）由4．24dB提高到20．45dB,均方根误差（RMSE）由0．051改善到0．0081。据此对真实加速度计输出信号进行去噪处理,实验结果表明：小波阈值去噪对加速度信号具有良好的滤波效果。     

基于Michelson干涉原理的光纤加速度计的研究

分析了一种迈克尔逊干涉型光纤加速度计的结构设计和工作原理,详细推导了被测信号的加速度与迈克尔逊干涉仪的输出相位差之间的关系,并对加速度的灵敏度进行了相应的参数讨论,最后应用Matlab软件对光信号处理电路进行了仿真;结果表明,解调信号和待测信号相位一致性好,从而从理论上证明了这种结构新颖、体积小、精度高、成本低的干涉型光纤加速度计是合理可行的.     

飞行器用高精度小量程石英微加速度计研究

为满足对振动环境下10 Hz以下低频小量程加速度信号的高精度测量需求,提出了一种基于石英微工艺的新型窄带宽MEMS加速度计,其敏感元件采用变间距式差分电容梳齿结构。采用有限元分析手段,对敏感元件质量块尺寸、梳齿长度、U型梁刚度、盖板结构、阻尼和带宽等参数进行了综合优化设计。敏感元件采用石英晶片经湿法腐蚀体工艺制作,加速度计样机经过了实际性能测试和环境适应性试验,带宽为8.9 Hz,非线性度约为0.7%,可以满足飞行器小量程低频加速度参数的测量需求。     

MEMS力平衡加速度传感器以测量误差最小为目标的控制算法

力平衡传感器(FBA)测量加速度是由反馈控制力与外界惯性力平衡时的控制力计算得到的,力平衡控制算法是力平衡传感器的核心.传统控制算法多以敏感元件偏移平衡位置最小为目标,限制了力平衡加速度计的测量精度和适用带宽.本文以MEMS力平衡传感器为对象,提出了一种以测量误差最小为目标的力平衡加速度计最优控制算法.引入测量误差新变量,将难以处理的力平衡控制转化为以响应最小为目标的经典控制问题,在此基础上获得了最优控制力的解析表达式,实现了对未知加速度信号的实时高精度检测.分别针对三种不同类型的输入加速度信号（阶跃、周期和随机）进行检测仿真,发现提出的算法能够准确地检测各类输入加速度信号,测量信号频带达kHz量级,同时在该控制算法下敏感元件的振动响应也得到有效控制,保证了加速度传感器的大动态范围.研究成果可为高精度和宽频带力平衡加速度传感器的研究提供基础.