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...     

微机械加速度计的研究现状综述

随着微机械加工技术的不断进步以及微机械加速度计市场占有率的逐步扩大,各种类型的微机械加速度计层出不穷,其中以电容检测式微机械加速度计发展的最为迅速且产业化水平最高,其次是压阻式、压电式、热对流式、隧道电流式、谐振式,以及近年来成为研究热点的光学式加速度计。本文详细阐述了国内外已报道的各种类型微机械加速度计的结构、原理、制造工艺和性能指标,并对不同精度微机械加速度计的产业化发展现状和市场应用情况进行了总结。新材料、新机理、纳米尺度、智能化以及更高的性能指标将是今后几年微机械加速度计的主要发展趋势,也将在MEMS/NEMS领域掀起新一轮的研究热潮。     

一种电磁式微机械振动环陀螺的建模与优化

提出了一种新型的电磁式微机械振动环陀螺结构.为优化陀螺的设计和提高陀螺的性能,在推导微机械陀螺集总参数模型的基础上,建立了电磁式微机械振动环陀螺的数学模型,得到了影响陀螺灵敏度的因素,据此对陀螺参数进行优化设计.采用有限元分析方法和实验测试方法相结合来验证该模型和设计方案的可行性.模型计算结果表明,优化后的陀螺在-200～200（°）.s^-1的范围内,其机械灵敏度为0.002 3μm/（（°）.s^-1）,电学灵敏度为0.062μV/（（°）.s^-1）.用有限元模拟得到陀螺机械灵敏度为0.002 9μm/（（°）.s^-1）,锁相放大器测试得到微陀螺样机电学灵敏度为0.051μV/（（°）.s^-1）.有限元仿真和样机实测结果与理论计算结果基本吻合,证实了该模型的正确性及陀螺设计方案的可行性.     

基于梳齿间距偏差的微加速度计灵敏度模型

针对电容式微加速度计梳齿间距偏差所引起的灵敏度变化,基于高维数值积分与概率理论,并结合闭环微加速度计工作原理,导出了其灵敏度模型。当梳齿间距偏差分布在3.7~4.6 μm区间,施加在固定电极上有效电压分别为2.3 V、5.1 V和8.3 V时,其对应的灵敏度将处于120~195、55~85和32~51 mV/gn范围。在相同条件下,对一批体硅玻璃键合结构的微加速度计进行了实验测量,其灵敏度分别落在119.3~179.9、53.8~81.1和33.0~49.8 mV/gn区间。由此可见,该模型与实测值比较接近。模型指出了灵敏度与梳齿间距偏差的相互关系,从而可为微加速度计设计和工艺优化提供参考。     

对称体微机械电容加速度传感器的结构设计

描述了一种用无掩各向异性腐蚀技术制造以称体微机械梁，质量块加速度传感器的结构，由于梁在质量块中心对称位置上，在结构上的消除了加速度传感器的横向灵敏度效应，在对四梁结构及悬臂梁结构加速度计灵敏度及固有频率进行分析的基础上，用灵敏度－频率积取优值的方法进行了加速计的结构参数优化，采用了一种新颖的微力微痊移天平测试方法。初步测量了加速度计结构的静态特性。     

基于应力集中的压阻式微悬臂梁设计

为了提高应力检测的灵敏度,提出了一种基于应力集中的新型压阻式微悬臂粱设计方法.首先,通过在硅基悬臂梁上加工出一些条缝结构作为应力集中区域,利用应力集中效应来提高应力检测的灵敏度,并在梁上沿硅的(100)面<110>晶向布置4个压阻元件组成惠斯通电桥来进行应力检测.其次,用有限元法分析了不同参数的孔缝结构对应力分布的影响.结果表明,与传统的无应力集中区域的微悬臂梁结构相比,可以有效提高应力检测的灵敏度.当参数优化后的微悬臂梁尺寸为500μm×180μn×10μm,缝结构尺寸为50μm×20μm时,应力检测的灵敏度可以提高2.68倍.     

微机械电容式加速度计的开环工作模式

在微机械电容式加速度计中利用静电力反馈使加速度计处于闭环力平衡模式工作,能提高加速度计的线性度。本文阐述了静电力在开环工作模式中的作用,导出了相关的灵敏度公式,报导了实验结果和成功地将原闭环工作的±１ｇ 量程加速度计直接变为低量程的微机械电容式加速度计的实例,其量程为±０．０１ｇ,线性度优于０－２ ％ 。     

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.     

时分反馈闭环MEMS电容式加速度计的新型自检测结构

设计了一种针对闭环加速度计的新型自检测结构．详细描述了这种基于电荷注入的自检测功能的原理．针对时分反馈闭环加速度计,从理论上推导了加速度计输出与自检测电压之间的关系,并利用Maflab／Simulink模型进行了验证。基于0．35μm高压CMOS工艺,设计了整个读出电路．测试结果显示,在自检测模式下,输出对自检测电压的灵敏度是0．3V／V．     

基于MESFET的GaAs基微加速度计的设计与性能测试

利用金属-半导体结型场效应晶体管(MESFET)作为微加速度计的敏感单元,设计一种4梁-质量块微加速度计结构.通过ANSYS分析软件进行仿真,敏感单位放置于悬臂梁根部的应力最大处,以获得最大的灵敏度.将封装好的微加速度计结构,利用惠斯通电桥测试电路,检测不同载荷下的输出特性,验证了微加速度计的力电耦合效应.测试结果表明,该微加速度计的线性度较好,其最大加载范围可达到24 g,且饱和区的灵敏度可达到4.5 mV/g,为高灵敏微传感器的研究奠定了一定的基础.     

新一代冲击加速度国家基准装置的研究与建立

研究建立的新一代冲击加速度国家基准装置,在冲击加速度峰值（20～1000000）m/s2和脉冲持续时间（20&;#61566;200）μs范围内,实现了加速度计冲击灵敏度激光干涉法的高精度校准。介绍了装置的结构组成和解决的关键技术问题,描述了中小冲击装置加速度峰值和脉冲持续时间的控制功能,给出了装置的主要技术指标和实验数据。新一代冲击加速度基准装置可以解决国民经济各领域对冲击计量提出的宽量程、高准确度的量值溯源需求问题。     

Laser vibrometry from a moving ground vehicle

We investigated the fundamental limits to the performance of a laser vibrometer that is mounted on a moving ground vehicle. The noise floor of a moving laser vibrometer consists of speckle noise, shot noise, and platform vibrations. We showed that speckle noise can be reduced by increasing the laser spot size and that the noise floor is dominated by shot noise at high frequencies (typically greater than a few kilohertz for our system). We built a five-channel, vehicle-mounted, 1.55 μm wavelength laser vibrometer to measure its noise floor at 10 m horizontal range while driving on dirt roads. The measured noise floor agreed with our theoretical estimates. We showed that, by subtracting the response of an accelerometer and an optical reference channel, we could reduce the excess noise (in units of micrometers per second per Hz(1/2)) from vehicle vibrations by a factor of up to 33, to obtain nearly speckle-and-shot-noise-limited performance from 0.3 to 47 kHz.     

不同粒径微米/亚微米颗粒布朗运动的实验研究

利用显微粒子追踪测速系统(Micro-PTV)对四种不同粒径(2μm、1μm、0.71μm、0.52μm)的颗粒在纯水中的布朗运动进行了实验研究.使用波长为532nm的连续激光器、电子倍增CCD(EMCCD)相机以及放大倍率为63倍的显微物镜得到颗粒图像.对原始图像进行处理,借助于Video Spot Tracker软件获得相邻两帧图像中示踪颗粒的单步位移,在此基础上计算颗粒在纯水中的实验扩散系数,分别为0.191μm2/s,0.391μm2/s,0.579μm2/s及0.746μm2/s.将计算结果与采用Stokes-Einstein公式计算的无限大空间单个颗粒理论扩散系数进行了比对,偏差在10%以内,实验值略小.实验结果能够正确反映微米(μm)/亚微米颗粒布朗运动的特征.     

Testing Transverse Sensitivity of Linear Single-Axis Pendulous Accelerometer with Double Turntable Centrifuge

Current ISO standard methods for testing transverse sensitivity of accelerometers are vibration-based. They have difficulties in producing low-frequency vibration for various reasons. This paper introduces a double turntable centrifuge (DTC) to test the accelerometer transverse sensitivity at low frequencies (from 0.01 to 10 Hz). The proposed method can avoid limitations of traditional vibration-based schemes for transverse sensitivity test. In this paper, a theoretical analysis of the method is followed by a presentation of the experimental set-up, and the measurement procedure of a linear single-axis pendulous accelerometer. According to the theoretical analysis and experimental results, it is practicable to test the low-frequency transverse sensitivity with a DTC. The method proposed here can test accelerometer transverse sensitivity at low-frequency with large amplitudes (up to 700 m/s²), and directly measure the angle of the transverse sensitivity with high resolution. It can be a supplement to the standard methods for testing accelerometer transverse sensitivity at low-frequency.     

多粒径TiB2/Cu复合材料耐电弧侵蚀行为

采用粉末冶金工艺制备了不同配比的多粒径(2 μm+10 μm+50 μm) TiB₂/Cu复合材料。通过JF04C触点材料测试系统对多粒径TiB₂/Cu复合材料进行耐电弧侵蚀性能试验,研究(2 μm+10 μm+50 μm) TiB₂颗粒质量比分别为1∶1∶1、1∶1∶3、1∶3∶1、3∶1∶1时,TiB₂/Cu复合材料的耐电弧侵蚀性能及电弧侵蚀形貌变化规律,探究多粒径配比对TiB₂/Cu复合材料表层耐电弧侵蚀行为的影响。结果表明:当(2 μm+10 μm+50 μm) TiB₂颗粒质量比为1∶1∶1时,TiB₂/Cu复合材料相对密度和导电率最高,分别为99.1%和87.1%IACS。当(2 μm+10 μm+50 μm) TiB₂颗粒质量比为1∶1∶1和1∶3∶1时,TiB₂/Cu复合材料的组织均匀性较好,电弧侵蚀后材料损失相同,材料转移量最少。其中,质量比为1∶3∶1时,TiB₂/Cu复合材料平均燃弧能量最低,且燃弧时间和燃弧能量最稳定。研究表明,这与复合材料的综合物理性能密切相关。在颗粒增强Cu基复合材料设计过程中,引入合适配比的多粒径TiB₂颗粒有助于提高TiB₂/Cu复合材料的密度、导电率等综合物理性能。电弧侵蚀过程中,不同粒径的TiB₂颗粒相互协同作用,有助于提高TiB₂/Cu复合材料的耐电弧侵蚀性能和服役稳定性。      

Optical fiber accelerometer based on a silicon micromachined cantilever

An intensity-modulated fiber-optic accelerometer based on backreflection effects has been manufactured and tested. It uses a multimode fiber placed at a spherical mirror center, and the beam intensity is modulated by a micromachined silicon cantilever. This device has applications as an accelerometer and vibrometer for rotating machines. It exhibits an amplitude linearity of ±1.2% in the range of 0.1-22 m s(-2), a frequency linearity of ±1% in the range of 0-100 Hz, and a temperature sensitivity of less than 0.03%/°C. The sensor is devoted to a wavelength-division multiplexing network.     

电容式振动传感器谐波失真自检测接口ASIC设计

为实现电容式振动传感器的谐波失真测量,针对电容式振动传感器表头设计出一种开关电容型接口ASIC芯片,采用相同电极分时复用的方法,从而避免电容敏感与静电力反馈的馈通现象.对传感器敏感电容上下极板与中间质量块间的杂散电容导致的谐波失真进行了原理分析,可知传感器二次谐波与寄生电容成正比,三次谐波与寄生电容无关.提出采用电容阵列补偿、静电力平衡反馈式闭环电路结构进行传感器谐波失真抑制,并基于静电力原理提出一种新的电容式振动传感器谐波失真自检测方法,该方法无需精密振动台,仅需要低失真度电压信号源.实际测试结果显示,谐波失真检测精度可达到-83 dB.ASIC芯片采用2μm CMOS工艺流片,刻度因子为1.2 V/g（g为重力加速度,g=9.8 m/s2）,量程为±2g,噪声密度为3×10-6g/（Hz）～（1/2）,静态功耗为40 mW.测试结果证明,该电路达到高精度微加速度计系统设计要求,可以应用到地震监测、石油勘探等领域中.