MEMS技术发展及应用优势

叙述了在微工程研究领域有代表性的微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)技术特点,介绍了MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS加速度计等典型的MEMS产品,阐述了MEMS基础理论研究进展以及国外对MEMS陀螺仪、MEMS加速度计的研究和发展现状,分析了MEMS技术在飞...     

侵彻武器用MEMS大g值加速度计

侵彻武器穿入地面等坚硬物质的加速度可达重力加速度的2万倍至几十万倍,要求所用加速度传感器既能抗击该工作环境,又能识别冲击与钻入的整个过程.美国侵彻武器用MEMS大g值加速度计属电容传感器,其工作原理采用2个电参数完全相同的电容,1个作检测电容,1个作参考电容,将被测加速度值的变化转换成电容量的变化而实现.该加速度计由结构单元和信号处理电路组成.实验结果表明,尚需对2组成部分进一步集成,对机械静电阻尼进行优化,对封装深入研究.     

弹载MEMS加速度计自适应滤波算法

为了降低导弹过载的测量噪声,提出一种弹载微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)加速度计自适应滤波器的设计方法.该方法根据过载变化来设定条件阈值,对滤波系数进行自适应调节,提高了导弹过载测量精度.仿真结果表明:该滤波算法可有效将加速度计测量噪声标准差从0.020 6 m/s2降低到0.006 1m/s2,较好地兼顾了加速度计在低过载下数据平滑性和高过载下数据灵敏性的要求.     

捷联式惯性测量装置用加速度计的试制及其性能

作为研究人造卫星运载火箭惯导系统的一部分,试制了捷联式惯性测量装置用加速度计,用于惯导系统实时模拟综合评价实验,本加速度计与以前试制的液浮磁悬浮摆式加速度计是同一类型,属于单自由度力矩平衡式液浮磁悬浮摆式加速度计。它既具有火箭惯导控制所必须的基本性能(分辨率为7×10~(-7)G,非线性误差系数为1.06×10~(-4)G/G~2,稳定性为±1.3×10~(-5)G),同时又可以利用其内部设置的指令力矩器产生模拟加速度输入。本报告将介绍惯性测量装置用加速度计的主要性能及模拟加速度输入输出的特性试验及其结果。     

阻尼对压阻式高g值加速度计动态特性的影响

针对动态校准过程中,压阻式高g值加速度计出现动态特性欠佳的情况,用实例与建模仿真相结合的方法,分析了阻尼对压阻式高g值加速度计动态特性的影响,得出若加速度计内部阻尼设计过小,则传感器动态特性差。仿真表明:合理调整阻尼比范围在0.1～0.25时,传感器动态特性较好,时域内响应信号上升时间快、幅值误差小、衰减速率快,频域内谐振分量少。实验表明:该影响确实存在,阻尼比满足要求的传感器具有较好的动态特性。     

基于MEMS 加速度计的倾斜姿态角传感器设计

针对应用领域中判断水平面及水平面夹角的问题,设计一种倾斜姿态角传感器。把MEMS加速度计SCA103T-D04与C8051F47单片机组合在一起,对MEMS加速度计输出信号进行调理和AD采集,单片机C8051F047完成数据分析和温度补偿,并通过CAN总线通讯接口和RS232通讯接口输出倾斜角度值,输出周期为200 ms。该倾斜姿态角传感器测量精度为0.03°,测量范围为–6°~6°,具有体积小、重量轻、精度高、温度适应范围宽的特性,可广泛应用于建筑、道路、桥梁及军用设备等领域。     

高g值高频响微机械加速度计研究

针对侵彻武器测试过程中冲击过载大和频率范围宽的特点,提出了一种微机械电容式加速度计结构,结构中采用分布在整个芯片上的小电容阵列来代替位于中间的单个大电容器.利用ANSYS对加速度计进行了仿真分析,得出加速度计的固有频率超过600 kHz,抗过载能力超过200 000 g,且电容变化量大,灵敏度高.文中还给出了加速度计芯片的加工工艺流程和接口电路.     

石英微陀螺的驱动控制方法研究

基于相位控制技术设计了石英微陀螺驱动轴的谐振环路,使其产生驱动模态振动。通过提取系统信号幅值的方法,设计了基于速度幅值的控制器,使微陀螺驱动轴的振动幅值保持恒定。建立了Matlab Simulink 模型,仿真结果与所设计的谐振环路和幅值控制系统的驱动控制效果一致。试制了石英微陀螺的驱动控制电路,驱动电路的测试结果表明:谐振环路振荡频率与驱动模态频率非常接近,稳幅控制器使得驱动轴迅速起振,并在0. 5 s 内稳定,谐振频率下的幅值高于噪声85 dB,振动幅值稳定性有显著改善。     

高g值侵彻加速度测试及其相关技术研究进展

结合作者及其合作者最近几年在侵彻加速度测试领域的若干研究工作,总结评价了近十几年国内外弹体高速侵彻硬目标高g值加速度现场测试研究成果,特别是存储测试技术在这方面的应用。同时总结了侵彻加速度测试相关技术的发展,包括高g值加速度计的抗高冲击性能和校准、电池抗高冲击性能的研究等。最后结合现有研究基础和潜在的国防需求,论述了这...     

单加速度计高旋弹滚转角测量系统误差模型

针对单加速度计高旋弹滚转角测量系统精度评估方法缺乏的问题,提出了单加速度计高旋弹滚转角测量系统误差模型。该模型中包含加速度计安装位置、安装角度、横轴灵敏度误差。分别用单因素敏感因子合成法和蒙特-卡洛模拟仿真法对单加速度计高旋弹滚转角测量精度的评估结果分别为3.577 2°和3.864 8°基本一致,仿真结果表明单加速度计高旋弹滚转角测量误差模型是正确的。     

一种电容式高量程微机械加速度计的设计分析

针对特殊场合的高g值加速度测试需求,提出了一种叉齿电容式高量程微机械加速度计的结构形式,采用面内敏感的变面积差动电容变化方式,并针对传感器固有频率、横向效应、量程和加速度灵敏度进行了设计分析。仿真结果表明：该加速度计量程200 000 g,固有频率266.2 kHz,模态分离比大于2.5,0~10 kHz通频带内加速度分辨率优于60 g. 基于硅-玻璃微机械工艺进行了加速度计微结构的流片加工、镜检测试和传感器的初步冲击实验验证。相比已有的高量程微机械加速度计,该设计具有线性度好、横向效应小、加速度灵敏度高和抗高过载能力强等特点。     

石英数字加速度计的系统性设计

提出基于材料力学和弹性力学理论的石英数字加速度计(简称加速度计)的支撑结构设计方法,根据加速度计要求的量程和灵敏度指标,能够设计计算出加速度计支撑结构的力转移系数,从而提供可靠的支撑结构模型和整机设计依据;基于机电特性分析建立加速度计的整机CAD(计算机辅助设计)方法,计算加速度计的固有频率和设定电路参数,修正加速度计支撑结构的设计,使加速度计具有在飞行振动和强冲击情况下的环境适应性的同时,具有设计要求的电性能;依据电路匹配网络建立加速度计温度特性补偿仿真设计方法,可有效提高加速度计标度因数的温度特性.上述设计方法构成加速度计的设计系统,经加速度计研制、设计定型和批量生产,验证了设计的合理性和先进性,使得加速度计具有精度高、使用方便、适应性强和易于批生产等特点.     

加速度计贮存试验及寿命评估方法研究

针对长期贮存后加速度计寿命难以评估的问题,提出一种综合利用加速试验数据与自然贮存试验数据的评估方法。采用极小卡方估计和拟合优度检验,处理加速度计的自然贮存数据,得到其可能服从的4种寿命分布函数,确定加速度计寿命分布形式为威布尔分布和Ⅰ型极大值分布;基于加速度计的先验信息,设计并开展加速度计的步进加速寿命试验,获得加速度计的加速失效数据;在威布尔分布和I型极大值分布假设下,依据加速失效数据估计加速度计寿命分布模型参数,采取加速因子变异系数的方法,选定Ⅰ型极大值分布为加速度计的寿命分布函数,得出常规应力水平下可靠度0.90和0.95的寿命分别为14.917 6 a和10.052 4 a. 通过对比标准贮存环境中和寿命分布模型中加速度计的失效比率,验证了综合利用两种试验数据评估加速度计寿命方法的有效性。     

d31模式四悬臂梁压电MEMS加速度计

针对高灵敏度无源加速度计的集成制造需求,提出一种d₃₁工作模式下四悬臂梁集成拾振微球的MEMS压电加速度计敏感结构。建立动力学振动和拾振理论模型,并使用COMSOL 5.0软件对传感器件结构进行建模仿真,通过优化确定满足拾振条件的微器件几何尺寸和结构。利用溶胶凝胶方法实现硅基高品质PZT压电薄膜的异质集成制造,使用MEMS工艺制造微器件并完成传感器的集成和组装。测试结果表明：该加速度计的输入加速度与输出电压的关系为V=1.881a-0.033,电压灵敏度在1 152 Hz时达到13.8 mV/g,表现出良好的灵敏度、线性度和抗干扰能力;新方法具有正确性和工艺方法的可行性,为高性能加速度传感器件提供了一种新的技术途径。     

高过载三维MEMS加速度传感器敏感芯片设计仿真与优化

为获取硬目标侵彻武器弹体侵彻过程中完整的三轴向加速度信号,研制了三维高冲击过载MEMS压阻式加速度传感器。提出了中心岛硬心质量块E型膜片结构设计方案和独特的三维力敏电阻的布桥方式,并详细阐述了传感器三维加速度测试的工作原理,运用有限元分析软件进行仿真验证,并运用零阶粗优化与一阶梯度寻优相结合的优化算法,对传感器敏感芯片的结构参数进行优化。优化仿真结果表明：传感器敏感芯片的结构强度足够,可承受的瞬态高冲击过载峰值最高可达2×105 g;芯片固有频率可达231 kHz;三轴向加速度浏试力敏电阻布设位置应力应变大,使得传感器有较高的输出灵敏度,理论上的优化仿真分析保证了传感器有可靠的工作性能,最后研制传感器原理样机,进行实验验证。     

高g值MEMS加速度传感器敏感元件的结构分析

介绍了几种高g值MEMS加速度传感器敏感元件的结构和原理，并对其结构特性进行了分析，最后给出了研究过程中所采用的圆膜片结构和仿真结果。     

一种石英挠性加速度计线性度测试仪设计

为了实现石英挠性加速度计的线性度测试,基于石英挠性加速度计的工作原理,设计了一种基于计算机的石英挠性加速度计电模拟测试仪;在建立石英挠性加速度计拟合数学模型的基础上,给出了利用计算机、A/D采集卡实现石英挠性加速度计的线性度测试的方法,即电模拟测试;石英挠性加速度计电模拟测试仪软件采用Visual C＋＋语言编写,能直观的反映出测试过程及结果;通过测试,石英挠性加速度计电模拟测试仪实现了预定的功能。     

加速度计的动态特性对无陀螺微惯性测量组合性能影响的研究

本文以压阻式加速度计为例,探讨了其动态特性对无陀螺微惯性测量组合的影响.首先,建立了9个加速度计的无陀螺微惯性测量组合模型,并推导了该模型的导航方程,然后根据加速度计的动态特性改进了其导航方程,最后进行了仿真验证.从仿真结果可以看出,对于相同的加速度计,输入信号的动态特性越强,惯性组合的误差越大.因而选用动态特性好的加速度计有助于提高无陀螺微惯性测量组合的性能.本文为无陀螺微惯性测量组合走向实用化,提供了理论依据.     

基于支持度的椭球拟合微机械电子系统加速度计现场标定方法研究

为解决微机械电子系统（MEMS）中加速度计的零位漂移误差、标度因数误差和交叉耦合误差随时间推移而变化的问题,提出一种基于支持度的椭球拟合MEMS加速度计现场标定方法。该方法能够在室外进行简单、快捷和高效的标定,其本质是在传统的椭球拟合法基础上,采用支持度法与椭球体法相结合的方法,通过建立椭球约束模型和支持度矩阵对MEMS加速度计的误差进行标定,继而使用误差补偿方程对MEMS加速度计进行输出补偿,最终实现高精度标度。通过椭球拟合对比实验和时间推移实验,证实了该方法可在没有精密标定设备情况下进行标定,其标定精度比传统椭球拟合法提升1倍。     

基于互补-粒子滤波的MEMS 传感组件姿态数据融合算法

为解决现有的MEMS传感组件精度低、误差大和磁传感器测量的航向角数据噪声大、精度低等问题,提出基于互补-粒子滤波的姿态融合解算方法.先用互补滤波算法结合加速计和磁力计对陀螺仪的姿态角进行修正,再采用四元素法对陀螺仪数据进行粒子滤波.仿真实验结果证明:该算法能快速解算出姿态角,提高解算精度.