基于电磁激励的SOI-MEMS谐振式加速度计的闭环检测系统(英文)

介绍了一种基于电磁激励方式,采用基于绝缘体上硅的微电子机械系统(SOI-MEMS)加工方法制作谐振式加速度计及其闭环控制电路系统.传感器芯片制作采用的是SOI材料(10μm+2μm+290μm),利用MEMS加工工艺制作.当外界z轴方向加速度作用于加速度计时,加速度计的两根"H"型谐振梁因受到弯曲应力而产生谐振频率的漂移,通过检测谐振梁频率的变化标定加速度的大小.电磁激励检测方式有利于加速度计的最终闭环控制.闭环电路控制系统主要由增益放大部分、自动增益控制(AGC)电路缓冲系统和移相器组成.测试结果显示,当有1g重力加速度作用于加速度计,闭环电路可稳定输出检测正弦频率信号58.958 kHz,与开环扫频结果一致.加速度计的"H"型谐振梁空气中检测Q值约为400,灵敏度可达584 Hz/g.     

力平衡式三轴微加速度计的设计与分析

设计了一种具有单一检测质量的力平衡式三轴微加速度计．采用硅-硅键合工艺形成作为单一检测质量块的硅片组合。利用全差分电容检测法实现对加速度三轴分量的检测．通过提高检测质量的重心，有效增加了X、Y轴的灵敏度．利用ANSYS仿真软件对该微加速度计进行了模态及静力学分析，提出了优化设计参数．3个检测模态（1阶、2阶和3阶模态）的频率分别为1．329kHz、1．345kHz和2．174kHz．通过优化设计，提高了3阶模态和4阶模态的频率差距，降低了其他高阶模态的干扰．在100g（g为重力加速度）的Z向加速度作用下，悬臂梁所受的最大应力为46MPa。小于单晶硅的弯曲极限值70-200MPa．静力学分析表明，加速度计的悬臂梁结构参数能够满足加速度计的力学性能要求．     

压阻式硅微二维加速度计的加工与测试

提出了一种压阻式的硅微二维加速度计,该加速度计采用4个相互垂直的悬臂梁支撑中间有刚硬柱体的结构,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．结合微结构的力学分析模型以及压阻原理分析了加速度计的灵敏特性、采用硅微机械加工工艺完成了加速度计的加工,应用微系统分析仪、激光拉曼光谱应力测试仪以及振动台分别对加工出的微结构形貌、残余应力、频响以及灵敏特性进行了相关测试．测试结果表明,两个方向的输出值均灵敏度高、线形度较好,胸灵敏度为1、0174mV／g（g为重力加速度）,线性系数为0．99991,y向灵敏度为0．89761mV／g,线性系数为0．99945．微加速度计的频响曲线较为平坦,其共振频率大约为670Hz．     

美国PCB公司推出新型振动加速度计

近年来,美国著名传感器与仪器公司PCB压电电子接连推出一系列新型振动加速计:高灵敏度加速度计(356A18).内置微电子(ICP),三轴测量,输出电压灵敏度高达1000mV/g,频率范围1～3000Hz.微型剪切式加速度计.352A10型为单轴测量,直径仅5.6mm,重量0.78gm;356A11型为三轴测量,方形设计,长仅10mm,重量4gm.电容式直流加速度计(370A02),其最大特点是可测量(直流)稳态振动和极低频振动.频率范围0～400Hz,灵敏度100mV/g.采用钛合金外壳,防冲击(500g)设计.状态监控加速度计(IM2602型),采用双层结构,不锈钢外壳,可在环境恶劣的工业现场永久性安装,用于状态监控.其电压灵敏度为100mV/g,有宽广频率范围.     

硅微谐振式加速度计的温度效应及补偿

零偏和标度因数稳定性是衡量加速度计性能的两个重要参数.为了降低硅微谐振式加速度计的温度敏感性,对其温度影响机理进行了深入研究.通过温度实验发现,硅微谐振式加速度计的零偏和标度因数与设计理论参数有较大区别,且都具有较大的温度灵敏度,分别为0.72 g/℃和1.5℃-1.对弹性模量和谐振器应力与谐振器频率的关系进行了理论计算和FEA仿真验证,其中弹性模量引起的谐振频率-温度灵敏度为-0.7 Hz/℃,谐振器应力引起的谐振频率-温度灵敏度为180 Hz/℃.阐述了加工过程中键合应力产生的原因以及键合应力与谐振器残余应力的关系,发现谐振器应力是造成加速度计输出随温度漂移的主要因素.提出了一种隔离残余应力的隔离梁的设计方案,可使零偏温度灵敏度降至-35 Hz/℃,为温度补偿指明了方向.     

新型谐振式硅微机械加速度计

制作出一种新型结构的谐振式硅微加速度计，其输出频率信号可以克服微机电系统器件输出微弱信号检测的困难、采用双端固定音叉作为谐振器，在加速度作用下，质量块的惯性力通过悬臂梁施加于音叉轴向，利用音叉谐振频率的变化测量加速度．在每个音叉臂上制作了梳齿结构，用梳齿间的静电力激励音叉产生谐振，并利用其构成的电容检测其振动频率．该加速度计采用体硅工艺制作，文中给出了工艺流程、用有限元方法仿真估算，得到传感器的灵敏度约为2／gHz．     

薄膜体声波谐振器应力负载效应摄动分析

薄膜体声波谐振器(FBAR)力学传感器有很大的应用潜力,但其敏感机理——应力负载效应尚不能被准确描述。为准确描述应力负载效应,预测FBAR力学传感器的频率灵敏度,提出一种摄动与有限元联合求解方法,并利用该方法计算FBAR微加速度计的频率-加速度灵敏度。首先,在COMSOL有限元软件中计算FBAR微加速度计在加速度下其压电层AlN的平均偏置应力;接着,在COMSOL中计算单个FBAR的谐振频率与相应的振型;最后,将有限元的计算数据和AlN的材料常数代入摄动积分公式中,得到FBAR微加速度计的频率-加速度灵敏度约为–98.879 kHz/g,与文献报道的实验结果–100 kHz/g相吻合,验证方法的可行性。     

一种用于复杂环境下的高精度微型谐振式压力传感器北大核心CSCD

微谐振式压力传感器因其体积小、精度高等特点而被广泛研究,本文基于谐振器在不同压力载荷下侧向振动时其等效刚度随轴向应力的改变而变化的原理,设计了一种静电激励/电容检测的谐振式压力传感器。本设计采用的谐振器结构与现有研究不同,通过在谐振梁的两边设计了两根侧梁用于抑制谐振器的Z向位移,提高了传感器的稳定性,并且双面梳齿结构和复合温敏梁可进一步优化传感器检测灵敏度等性能。在ANSYS WORKBENCH仿真平台下对其进行分析与验证,结果表明:侧梁可有效地抑制谐振器的Z向位移,在0~100 MPa范围内谐振器具有良好的正向应力特性;传感器基础谐振频率为29.834 kHz,在0~120 kPa范围内灵敏度可达29.6Hz/kPa,且最大过压1.5×FS时仍具备频率稳定性,这表明该传感器可应用于对灵敏度、抗过压等性能有更高要求的复杂环境中。     

振动比较法校准中加速度计灵敏度幅值校准不确定度的评估

加速度计参考灵敏度是加速度计套组(由加速度计与配套放大器组成)和振动测量仪最为关键的一项技术指标。振动比较法校准程序如下：将被校加速度计与标准加速度计背靠背刚性地安装在校准振动台的台面中心，采用正弦激励．将校准台调整到参考频率160Hz(或80Hz)和参考加速度100m／s^2(或10m／s^2)，选择放大器(电荷或电压)量程到合适的档位．     

一种用于复杂环境下的高精度微型谐振式压力传感器

微谐振式压力传感器因其体积小、精度高等特点而被广泛研究,本文基于谐振器在不同压力载荷下侧向振动时其等效刚度随轴向应力的改变而变化的原理,设计了一种静电激励/电容检测的谐振式压力传感器。本设计采用的谐振器结构与现有研究不同,通过在谐振梁的两边设计了两根侧梁用于抑制谐振器的Z向位移,提高了传感器的稳定性,并且双面梳齿结构和复合温敏梁可进一步优化传感器检测灵敏度等性能。在ANSYS WORKBENCH仿真平台下对其进行分析与验证,结果表明:侧梁可有效地抑制谐振器的Z向位移,在0~100 MPa范围内谐振器具有良好的正向应力特性;传感器基础谐振频率为29.834 kHz,在0~120 kPa范围内灵敏度可达29.6Hz/kPa,且最大过压1.5×FS时仍具备频率稳定性,这表明该传感器可应用于对灵敏度、抗过压等性能有更高要求的复杂环境中。     

A Monolithic CMOS-MEMS 3-Axis Accelerometer With a Low-Noise, Low-Power Dual-Chopper Amplifier

This paper reports a monolithically integrated CMOS-MEMS three-axis capacitive accelerometer with a single proof mass. An improved DRIE post-CMOS MEMS process has been developed, which provides robust single-crystal silicon (SCS) structures in all three axes and greatly reduces undercut of comb fingers. The sensing electrodes are also composed of the thick SCS layer, resulting in high resolution and large sensing capacitance. Due to the high wiring flexibility provided by the fabrication process, fully differential capacitive sensing and common-centroid configurations are realized in all three axes. A low-noise, low- power dual-chopper amplifier is designed for each axis, which consumes only 1 mW power. With 44.5 dB on-chip amplification, the measured sensitivities of x-, y-, and z-axis accelerometers are 520 mV/g, 460 mV/g, and 320 mV/g, respectively, which can be tuned by simply changing the amplitude of the modulation signal. Accordingly, the overall noise floors of the x-, y-, and z-axis are 12 mug/radicHz , 14 mug/radicHz, and 110 mug/radicHz, respectively, when tested at around 200 Hz.     

用于运动姿势捕捉的可穿戴MEMS微型化加速度计研制

在人体上穿戴加速度计能够实现对人体运动姿势捕捉,进而在体育教学和运动训练中有利于提升教学和训练效果,而加速度计的固有频率和测量灵敏度存在相互制约的关系.为此,研制一种孔缝复合八梁结构的MEMS加速度计.该加速度计质量块由四根宽大的支撑梁和四根短小的敏感梁共同支撑,在敏感梁上引入应力集中孔.采用离子注入、背腔干法刻蚀、I...     

A sensitive differential capacitance to voltage converter forsensor applications

There is a need for capacitance to voltage converters (CVC's) for differential capacitive sensors like pressure sensors and accelerometers which can measure both statically and dynamically. A suitable CVC is described in this paper. The CVC proposed is based on a symmetrical structure containing two half ac bridges, is intrinsically immune to parasitic capacitances and resistances, is capable of detecting capacitance changes from dc up to at least 10 kHz, is able to handle both single and differential capacitances, and can easily be realized with discrete components. Its sensitivity is very high: detectable capacitance changes of the order of 2 ppm of the nominal value (24 aF with respect to a nominal capacitance of 12 pF) result in a measured output voltage of 1.5 mV. However, due to drift the absolute accuracy and resolution of the CVC is limited to 3.5 ppm. A differential accelerometer for biomedical purposes was connected to the CVC and showed a sensitivity of 4 V/g. The measured rms output voltage noise in the frequency range of 2-50 Hz is 750 μV, resulting in a signal to noise ratio of 75 dB at an acceleration of 1 g in the frequency range of 2-50 Hz     

微机械热对流加速度计分辨率的影响因素分析

为进一步提高微机械热对流加速度计的设计精度,从而为加工性能优良、灵敏度高的热对流传感器提供依据,详细分析了封闭空腔内气体在横轴和纵轴七格拉晓夫数和瑞利数的数量级,判定封闭空腔内气体流动为层流自然对流,以此为基础采用FLUENT流体分析软件对热对流加速度计内封闭空腔中气体进行数值分析,获取了不同单晶硅腔体深度的微机械热对...     

三自由度并联物料振动分拣平台机构设计及运动仿真

为解决传统物料振动分拣平台无法实现多维振动的问题,提出了一种三自由度并联物料振动分拣平台,可满足物料振动分拣需要.该机构由共面的2条（P-R-U）支路及1条（P-R-C）支路组成,可实现动平台沿x,z轴的平移和绕x轴的转动.应用D-H矩阵对该并联机构进行运动学建模,通过运动学正、反解理论分析,建立机构输入、输出变量间运动学解析表达式.运用Matlab对位置正解进行计算,通过Mech/Pro接口软件将Pro/E中建立的模型导入ADAMS中进行运动仿真,并将计算结果与仿真结果进行分析和对比.两者结果相同,验证了结构分析及位置求解的正确性.     

空间高微重力主动隔振系统加速度测量研究

为实现空间高微重力主动隔振系统的主动隔振性能,需要精确测量平台的振动。首先介绍采用线加速度计测量刚体线加速度和角加速度的动力学原理,给出加速度计配置时要满足的条件,然后提出两种六加速度计配置方式并给出加速度解算公式,着重分析了两种配置方式下加速度计的测量误差和安装误差对加速度解算精度的影响,给出了相应的误差模型和分析结论,这为加速度测量系统设计提供了依据。     

3-UPS/SP并联机构的逆运动学与可达工作空间分析

目的 针对目前包装领域大量物品需要进行人工点胶与喷漆的现状,设计一种3-UPS/SP并联机构应用于包装领域的点胶与喷漆,以提高工作效率。方法 运用螺旋理论对该机构进行自由度分析,并用修正的Kutzbach-Grübler公式对该机构的自由度进行验证。接着用封闭矢量法求出该机构的位置逆解,并根据位置逆解和该机构之间的相互约束条件,运用Matlab软件编程求出该机构的可达工作空间。最后对该机构在点胶与喷漆方面的应用进行了实例分析。结果 3-UPS/SP并联机构具有3转（绕x轴、y轴和z轴的转动）1移（沿z轴方向的移动）4个自由度,拥有较大的工作空间,并且在运动过程中没有出现歧义点。结论 此机构具有较大的工作空间,自由度多、运动灵活、性能良好,可以应用于包装领域进行点胶与喷漆。     

离心机误差对陀螺加速度计K2和K3项标定精度的影响

为了准确标定陀螺加速度计的二阶非线性误差系数K2与三阶非线性误差系数K3,首先在带反转平台的离心机上建立坐标系,进而在考虑离心机误差源的基础上,推导出了陀螺加速度计上的精确比力输入和角速度输入,再根据陀螺加速度计的误差模型,给出了离心机各个误差源对K2、K3项标定误差的贡献．仿真试验给出了各误差项对于K2、K3项标定的具体影响大小,可通过误差补偿提高陀螺加速度计K2、K3项的标定精度,并且给出了不同精度加速度计在进行标定时要重点考虑的离心机误差项：同时仿真表明。采用带反转平台的离心机对陀螺加速度计进行标定时可以不进行加速度计调心：另外,主轴速率与反转平台回转轴角速度矢量大小不完全相等,方向不完全相反对标定结果几乎无影响．